74831066 Barba Gonzalez Jorge Las Nuevas Ciencias Del Cosmos Parte 1

LAS NUEVASCIENCIAS DEL

COSMOS

TEXTO UNIVERSITARIO

JORGE BARBA GONZÁLEZ

TERCERA EDICIÓN

2007-2008

Las Nuevas Ciencias del Cosmos

Las Nuevas Ciencias del COSMOSCopyright © 2006 por Jorge Barba GonzálezRegistrado en U.S. Library of Congress, U.S.A. yprotegido por las Leyes de Propiedad Intelectual.

Todos los derechos son reservados.Impreso en la República del Ecuador.

Ninguna parte de este libro puede ser usada o copiadaen ninguna forma sin permiso escrito del autor.

E-mail: [email protected]

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INDICE

Prólogo 9

Agradecimientos 12

El hilo conductor 14

Capítulo 1. EL CAMINO DEL CONOCIMIENTO 17

Capítulo 2. LOS ORÍGENES 47

Capítulo 3. EL ORDEN DEL UNIVERSO 71

Capítulo 4. ENERGÍA 87

Capítulo 5. DEL ORDEN AL DESORDEN 111

Capítulo 6. EL ÁTOMO 127

Capítulo 7. LA GRAN INCERTIDUMBRE 145

Capítulo 8. ESPACIO-TIEMPO 163

Capítulo 9. SIMETRÍA, LA SINFONÍA CÓSMICA 179

Capítulo 10. COSMOLOGÍA 197

Capítulo 11. LAS NUEVAS CIENCIAS 225

Capítulo 12. MÁS ALLÁ DEL FUTURO 249

GLOSARIO DE TÉRMINOS CIENTÍFICOS 271

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Investigación y Contenidos:JORGE BARBA GONZÁLEZ

Edición Gráfica:Diseño, Diagramación JOSÉ IGNACIO QUINTANA J.CAMILA KHALIFÉ PONCE

Corrección de estiloANA MARÍA CUESTA

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CONTENIDOIndice 3Contenido 5Prólogo 9Agradecimientos 12El hilo conductor 141. EL CAMINO DEL CONOCIMIENTO

Introducción 17El conocimiento científico 19

El Renacimiento 19René Descartes 20Leonardo da Vinci 21Francis Bacon 23Galileo Galilei 24Isaac Newton 25Gottfried Wilhelm Leibniz 27Charles Darwin 29Albert Einstein 31El pensamiento sistémico y complejo del S. 2I 33Las revoluciones científicas y tecnológicas 34La ciencia moderna 34

¿Qué es la ciencia? 35¿Qué requisitos debe cumplir la ciencia? 36Características de la ciencia 36¿Qué es la tecnología? 38

El método científico 38Las seudo-ciencias 39

Seudociencias de la mente 39Mentalismo 40Parapsicología 40Psicoanálisis 41Seudociencia económica 41Ideologías 43

Ciencia y religión 43Mapas conceptuales 43

Bibliografía. Preguntas de repaso 44Preguntas de reflexión 45

2. LOS ORÍGENESIntroducción 47El origen de la ciencia 48

El pensamiento científico en Grecia 49Tales de Mileto 49Pitágoras 50Euclides 51Demócrito 51Epicuro 52Platón 52El cosmos de Aristóteles 54

El origen del universo 56El Big Bang 57La inflación 58La evolución del universo 58

La evolución de la vida 58¿Cómo comenzó la vida? 59¿Qué es la vida? 60Las bio-moléculas 62Las primeras células 62

Las características de la vida 63Condiciones indispensables para la vida 64

El Homo Sapiens 65Los simios 65El cerebro y la inteligencia 66Características humanas 66Antropocentrismo 67Desarrollo humano 68

Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 70

3. EL ORDEN DEL UNIVERSOIntroducción 71El diseño del universo 72

La cosmología 73Espacio y tiempo 74La estructura del cosmos 75

El Nacimiento de la mecánica 75Aristóteles 75Galileo Galilei 76Rapidez 77Velocidad 77Aceleración 77

Las leyes de Newton 77La primera ley 78La segunda ley 79La tercera ley 79La gravitación universal 80Peso y gravedad 80

¿Qué es la realidad? 81Las ciencias y la realidad 82La realidad relativa 83


4. ENERGÍAIntroducción 87Del calor a la energía 87El Sol es una estrella 87

Las racciones nucleares dentro del Sol 89Radiaciones solares 89

La energía del Sol 89¿Qué es la energía? 90

El mundo de la energía 91El concepto de energía 91

Tipos de energía 92La energía potencial 92La energía cinética 93

Trabajo 93Potencia 93James Watt 94Energía de las ondas 94La energía de la masa 95Transformaciones de energía 96

Primera Ley de la termodinámica 96La conservación de la energía 96La dieta alimenticia y las calorías 96El calor 97Transferencia de energía 98

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Conducción 98Convección 98Radiación 99

Ondas electro-magnéticas 99Transferencia de energía por medio de ondas 99Las ondas electromagnéticas 99El éter y la luz 99La energía electromagnética 100El espectro electromagnético 100Energías del futuro 101Agotamiento de los recursos energéticos 101

Generación de energía 102Energía de combustibles fósiles 103Energía nuclear 103Fisión nuclear 103Fusión nuclear 104Energía hidráulica 104Energía eólica 105Energía geo-térmica 105Energía solar 106Energía de la biomasa 106El combustible hidrógeno 106La pila de combustible 106Tiempo y energía 107Ciclo de la energía 109


5. DEL ORDEN AL DESORDENIntroducción 111Historia 112

La máquina de vapor 112Sadi Carnot 113William Thomson (Lord Kelvin) 114Rudolph Clausius 114Ludwig Boltzmann 116

Entropía y termodinámica 116Estructuras complejas y disipativas 116Los principios de la Segunda Ley 117El flujo del calor 118Eficiencia de las máquinas 119Sistemas cerrados 119

Consecuencias de la Segunda Ley 120La dirección del tiempo 120El tiempo y la termodinámica 121

La termodinámica de la economía 122La energía del hidrógeno 122Contabilidad y termodinámica 123

Las limitaciones del universo 123La muerte 124La muerte térmica 124


6. EL ÁTOMOIntroducción 127

El átomo de los griegos 127La teoría atómica moderna 128

La complejidad de los átomos 129La radiactividad 130El interior del átomo 130Los cuantos de Planck y el átomo de Bohr 132

El núcleo atómico 133

Los isótopos 134La energía del núcleo 134

Transmutaciones de elementos 135Los elementos químicos 136

La tabla periódica de elementos 136La estructura atómica 137

Fotones 138Líneas espectrales 138

La energía atómica 139La bomba atómica 141

Reacciones en cadena 142Los reactores nucleares 142


7. LA GRAN INCERTIDUMBREIntroducción 145Historia de la mecánica cuántica 146

El comienzo 147Radiación del cuerpo negro 147Max Planck 148El efecto fotoeléctrico 149La vieja teoría cuántica 150El principio de exclusión de Pauli 150

Ondas o partículas 151La dualidad onda/partícula 152Las ondas piloto 152Ondas de materia 153

La nueva teoría cuántica 153Mecánica matricial 153La ecuación de onda 154La interpretación probabilística 155La ecuación de Dirac 156El principio de incertidumbre 156

Los cuantos 157Medidas y observaciones 158Dualidad onda-partícula 158La doble ranura 159Determinismo clásico 160Incertidumbre cuántica 160¿Qué es la realidad física? 161


8. ESPACIO-TIEMPOIntroducción 163El principio de la relatividad 164

Geometría y cosmología 164El sistema del mundo de Newton 164El principio de relatividad de Galileo 165El éter 166La transformación de Lorenz 166

Relatividad especial 167El principio de relatividad de Einstein 167Principio de relatividad especial 167Principio de constancia de la velocidad de la luz 168Espacio y tiempo de Minkowski 168El espacio-tiempo de Einstein 168Dilatación del tiempo 169La energía y la masa 169

La relatividad general 170La revolución de Einstein 170

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El espacio curvo 170Consecuencias de la teoría general 171Pruebas de la relatividad 172

Las soluciones de la relatividad 173La solución de Schwarzschild 173La solución de Friedmann 173El huevo cósmico de Lemaitre 174Oppenheimer y el colapso gravitatorio 175Paradojas de la relatividad 175

El pensamiento de Einstein 175Bibliografía. Preguntas de repaso y reflexión 178

9. SIMETRÍA, LA SINFONÍA CÓSMICAIntroducción 179La simetría en las leyes físicas 179

¿Qué es simetría? 180Emmy Noether 181Simetría en el espacio y el tiempo 182Cambios de escala 183La conservación y la simetría 183Reflexiones en el espejo 184Antimateria 184La simetría gauge 184

Teoría electro-magnética 185Electricidad estática 185La simetría de Coulomb 186Los campos eléctrico y magnético 187Magnetismo y electricidad 187Faraday 188Las simetrías de Maxwell 188Espacios con mayores dimensiones 189

Las partículas elementales 189El modelo estándar 190El maestro del quark 190Las cuatro fuerzas fundamentales 190

La teoría de cuerdas 191El espín 192Supersimetrías 192Las supercuerdas 193La gran unificación 193¿Qué aspecto tienen estas dimensiones? 194La predicción de la gravedad 194¿Cuál es el principio fundamental de la ciencia? 194


10. COSMOLOGÍAIntroducción 197Historia 197

Eudoxo y Aristóteles 199Aristarco 200Tolomeo 200Copérnico 201Brahe 202Kepler 203Galileo 205

Newton 206Los grandes telescopios 207

Ley de Hubble 208Cosmología moderna 209

El Big Bang 209Fundamentos teóricos de este modelo 210La constante cosmológica 210La expansión 210La Inflación 211La radiación de fondo 212Ideas equivocadas 212

Geometría del universo 212El principio cosmológico 213Tipos de materia 213

El universo primitivo 213Nacimiento de las estrellas 214Secuencia principal de las estrellas 215La muerte del Sol 215La astrofísica 216La muerte de las supernovas 217Las estrellas de neutrones 217Los agujeros negros 218

La evolución del universo 218La aceleración del universo 218Materia y energía oscuras 219 Las grandes incógnitas 219La energía negativa 219Universos paralelos 220¿Qué son los universos paralelos? 220


11. LAS NUEVAS CIENCIASIntroducción 225Visión histórica 226

El tiempo irreversible 227El paradigma determinista 227El contexto cartesiano 227El paradigma de complejidad 228

La ciencia de la complejidad 229¿Qué es la complejidad? 229El caos 230Las nuevas ciencias 230

Fundamentos teóricos 231¿Cómo puede el orden generarse del caos? 232Un nuevo idioma 232Los problemas globales 232Las estructuras vitales 233El cambio de paradigmas 233Principios fundamentales 234

El Principio de complejidad 234¿Cómo entender la complejidad? 234Las teorías de sistemas 235Cuadro jerárquico de sistemas 236Los modelos dinámicos 236Las eco-ciencias 238La complejidad y la sociedad 238

El principio de emergencia 239

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La emergencia del orden 239Las colmenas de abejas 239La democracia de los idiotas 240El superorganismo 240La reglas de la emergencia 241

El principio de auto-organización 242Las organizaciones 242El éxito de las organizaciones 242El patrón de organización 243Las redes 243El concepto de autoorganización 243

El Principio de co-evolución 244La evolución 244La co-evolución 244La ciencia de la ecología 245La ecología profunda 246


12. MÁS ALLÁ DEL FUTUROIntroducción 249El futuro de la vida 250

Los límites de la Tierra 250El cuello de botella 251Los problemas de la naturaleza 251El fin de la naturaleza 252¿Cuánto vale la naturaleza? 253¿Qué podemos hacer? 253

Las Civilizaciones del Futuro 254Tipos de civilizaciones 255

Tipo 0 255Tipo 1 255Tipo 2 256Tipo 3 256Freeman Dyson 256

El surgimiento y colapso de las civilizaciones 257El colapso del uranio 257El colapso ecológico 258La edad de hielo y los asteroides 258La muerte del Sol y de la Vía Láctea 259

El Futuro del universo 259Agujeros negros y de gusanos 259La máquina del tiempo 260Universos paralelos o multiversos 261El final de todo 262

La entropía de la muerte 262Escape por el hiper-espacio 262

El futuro de la ciencia 263La realidad 263Espacio-tiempo 263La materia 264La simetría 264Supersimetría 264La energía 265La complejidad 265Principios físicos y la matemática 266La gran unificación 266El futuro 267Bibliografía, Preguntas de repaso 269Preguntas de reflexión 270

Glosario de términos científicos 271

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PRÓLOGO

La ciencia contemporánea es una empresa demasiado compleja para que le convenga alguna de las fórmulas simples imaginadas

por filósofos tradicionales o por especialistas científicos. MARIO BUNGE

E s realmente preocupante advertir el rezago que tiene la ciencia en los currícula de lasuniversidades del mundo entero, con muy pocas excepciones. Tan poca importanciase le da a la ciencia que los estudiantes en general, incluyendo los de las carreras téc-

nicas, tienen poco o ningún conocimiento y nociones claras de la ciencia cuando egresan delos establecimientos de educación superior.

A los estudiantes no se les dota de herramientas intelectuales adecuadas para que puedan con-vertirse en ciudadanos de un mundo en donde la ciencia y la tecnología llevan la batuta para eldesarrollo de la humanidad. No adquieren conocimientos de lógica, ni de las matemáticas, ni dellenguaje científico necesario para poder funcionar debidamente en este mundo del siglo XXI.

Dice Bunge, en su libro La Ciencia, “que la filosofía de la ciencia es menospreciada al punto que nose le considera deseable para los cursos de filosofía; aun más, está arrinconada en el plan de estudios vigente enla mayor parte de instituciones universitarias. Se cree vulgarmente que la ciencia no tiene problemas filosóficosimportantes y que sólo es una máquina para buscar datos y resolver problemas cotidianos.”

Hasta ahora en muchas instituciones de educación superior se cree que la ciencia no formaparte del núcleo de la cultura moderna, por esto el nivel científico en Latinoamérica es muy ba-jo, aunque esta situación está cambiando en algunos lugares. Hay un notable déficit de ingenie-ros, científicos, matemáticos, físicos, biólogos, químicos, psicólogos y sociólogos bien educados,con buenas bases científicas que contribuyan al desarrollo de la región. Este texto pretende ali-viar, por lo menos en parte, estas deficiencias y falencias.

El desarrollo de la ciencia comenzó cuando la humanidad buscó la verdad del cosmos a tra-vés de la razón. El paso fundamental en este proceso fue desarrollado por los antiguos griegos queconcibieron la posibilidad de comprender y explicar los procesos naturales por medio de la men-te humana, no sólo por medio de la mitología y las creencias en los dioses del Olimpo.

Este camino del conocimiento en búsqueda de la verdad que es la ciencia, se inicia con Ta-les, Pitágoras, Demócrito, Epicuro y la física de Aristóteles hace más de dos mil años. La búsque-da de explicaciones a los fenómenos naturales y del cosmos requiere de muchas inteligencias tra-bajando juntas durante largo tiempo.

El verdadero desarrollo científico comienza con Copérnico, Kepler, Galileo y Newtonhace más de cuatrocientos años. Su gran aporte fue el de imponer una nueva visión del cos-mos y de la ciencia al introducir los procedimientos experimentales para elaborar las teoríasy promover las dudas a todo lo que no puede ser probado y verificado experimentalmente.

El biólogo francés Joel de Rosnay expresa en su libro El Macroscopio, “que con el teles-copio hemos logrado ver lo infinitamente grande, con el microscopio podemos ver lo infinitamente pequeñoy que tenemos que crear el macroscopio para ver lo infinitamente complejo en las sociedades y en la natu-raleza.” Este texto contiene un capítulo dedicado a las nuevas ciencias de la complejidad paraayudar a concebir el macroscopio, que nos ayudará a crear una visión grandiosa del futurocientífico de la humanidad en el siglo XXI.

La razón de este texto es por tanto, promover en las universidades la enseñanza de lasciencias para con ésta y otras acciones necesarias, salir del marasmo del subdesarrollo men-tal en que están relegados la mayor parte de los ciudadanos del mundo. Como decía Einstein,uno de los científicos y pensadores más importantes del siglo XX: “La preocupación por el hom-bre mismo y su destino debe ser el interés prioritario en todos los esfuerzos por lograr avances técnicos….conel fin de que todas las creaciones de nuestra mente sean una bendición, y no una maldición para la huma-nidad.”

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Este texto pretende, además, resaltar los nuevos adelantos de las aplicaciones de la cien-cia en la tecnología. La biotecnología está realizando verdaderos avances con la clonación,la producción de medicinas espectaculares, de plantas resistentes a ciertas enfermedades, etc.También se están desarrollando muy rápidamente la miniaturización y las nanotecnologías,pronto vamos a tener computadoras cuánticas en las que los transistores estarán hechos depocos átomos y se logrará igualar el número de transistores a la cantidad de neuronas en loscerebros.

La falla más crasa en los modelos economicistas, comenzando por el de Malthus, fue noconsiderar la verdadera magnitud del impacto que tendría la tecnología en el mundo moder-no. Por esta razón, la buena educación tiene que convertirse en el elemento vital para el desa-rrollo humano en el siglo XXI. Los avances que los distintos estados y comunidades puedanhacer en el campo educativo van a determinar, con toda seguridad, la condición de su desa-rrollo o de su subdesarrollo.

Estos avances son indispensables para disminuir el crecimiento demográfico, que essin duda, uno de los problemas más graves de este siglo. Ya se están produciendo verda-deras olas de migración de los países pobres a los más ricos. Estos procesos se incre-mentarán cada vez más en proporción al aumento de la pobreza y al desempleo en cier-tas partes del tercer mundo. Sin los adelantos científicos y tecnológicos será imposiblecontar con suficientes puestos de trabajo y alimentos para reducir la pobreza y mitigarestas situaciones.

En el campo de la energía veremos los cambios e innovaciones más importantes de lasfuentes energéticas alternativas, de las nuevas energías no contaminantes y de la tecnologíadel siglo XXI. El aumento de la eficiencia de los motores y los ahorros de combustibles man-tendrán la demanda de hidrocarburos relativamente constante. Ya están circulando los nue-vos modelos de híbridos con motores eléctricos y a gasolina, así como los de pilas de hidró-geno que sustituirán lentamente a los tradicionales.

El cambio climático y el resto de problemas ambientales son situaciones muy apremian-tes a las cuales hay que darles mucha atención e inteligencia, para lograr los consensos inter-nacionales necesarios que nos permitan lidiar con estas situaciones. Las redes de informaciónglobal ya permiten enfocar estos problemas y buscar posibles soluciones; es así como ya seestán investigando alternativas para disminuir los efectos devastadores de los huracanes y delcambio climático, usando los nuevos conocimientos de la complejidad y el caos.

Estas redes también han permitido incrementar la creatividad e innovación a nivel pla-netario, por medio de las computadoras distribuidas por todo el planeta que permiten reali-zar tareas que antes eran impensables, como por ejemplo, monitorear a los grandes asteroi-des y cometas que algún día pueden estrellarse contra nuestro planeta causando catástrofesterribles. El intercambio de información es el mecanismo más importante para el desarrollode la ciencia y la tecnología y fomentará el desarrollo y la creación de riquezas en todos losestados y comunidades del planeta, que estén debidamente preparados para aprovechar estoscomponentes de la cultura humana.

En las encuestas que se hacen a nivel mundial entre las personas que lideran las insti-tuciones y organizaciones más importantes de la sociedad, se descubre que una de las prin-cipales preocupaciones es la de entender cómo se pueden manejar los cambios que ahorase presentan con enorme rapidez e intensidad. Parafraseando a Carl Sagan podemos decirque “nos hallamos inmersos en un brebaje infernal de violencia étnica, religiosa y deterrorismo; con dirigentes políticos ineptos, con una cultura y educación inadecuadasque producen idiotas especializados en grandes cantidades, con familias disfuncionales,exceso de población y estados que causan una degradación ambiental nunca antes expe-rimentada; por esto, es más urgente que nunca comprender las ciencias y sus aplicacio-nes tecnológicas para salir del lío en que nos hemos metido.” (Sagan, Pag.12)

Espero que la visión del futuro que se proyecta en este texto ayude a formar a nuestrosestudiantes como los científicos, pensadores, profesionales, líderes y ciudadanos que se

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requieren en el siglo XXI, ciudadanos del mundo que sepan los fundamentos de la ciencia yque puedan pensar de manera crítica, global y local para, de esta manera, resolver los pro-blemas complejos que nos sobrecogen.

Sólo con una visión integradora, con inteligencia, conocimientos, creatividad y usandolos principios científicos y tecnológicos para el bien y el desarrollo de todos, se podránencontrar las nuevas soluciones a los problemas del desarrollo sostenible. Ojalá de estamanera podamos evitar el colapso ecológico y el del uranio, para convertir nuestro hogar enel universo, en una de las culturas galácticas que necesitamos para el futuro. (Ver capítulodoce)

Para esto es necesario analizar en detalle la historia de la evolución del pensamiento y dela ciencia; se dice que la ciencia nace de la curiosidad de los individuos por saber y entenderalgún fenómeno natural, pero también ha sido indispensable una gran capacidad de asombropara diferenciar lo que es banal de lo que es elegante, grandioso y bello. Estas cualidades delos filósofos y científicos fueron las que permitieron el desarrollo de las civilizacionesmodernas.

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Este texto se inició cuando yo tenía doce años y mi padre, José Julio Barba Zaldumbide, me pre-guntó qué regalo quería para Navidad; yo le contesté: “libros de física”. Me compró seis librospara principiantes que para mí fueron el inicio de un viaje interminable hacia un mundo maravi-

lloso, desconocido y fascinante al mismo tiempo. Con estos libros comencé a recorrer el camino paraentender la realidad del mundo físico. Casi inmediatamente me di cuenta de que no podía entender la físi-ca si no comprendía el álgebra, la geometría analítica y el cálculo y me propuse estudiar estos temas solo,pero si bien algunas cosas podía entender, otras no, por lo que le pedí a mi madre, Mercedes GonzálezTobar que me ayude y ella contrató a mi profesor de matemática, el Señor Aguilar, para que me enrrum-be en estos temas. De esta manera poco a poco fui captando la belleza y elegancia que tienen las mate-máticas y las ciencias; a mis padres y a mi profesor, todo mi agradecimiento.

Terminé el colegio con la ilusión de estudiar física y matemáticas, lastimosamente en esa época nose ofrecían estos estudios en las instituciones de educación superior. Decidí entonces probar con la inge-niería, pero me decepcionaron tremendamente las clases preparatorias de los primeros años por lo abu-rridas y superficiales hasta que, por una coincidencia del destino, el gobierno alemán me concedió unabeca para la Universidad Técnica de Munich (TUM). Mi llegada a Alemania Occidental en 1964 fue llenade sorpresas. Yo había salido una vez de Ecuador hacia Estados Unidos pero la cultura europea y el idio-ma fueron mis primeros retos que los fui absorbiendo como por ósmosis. En la TUM los cursos fueronuna verdadera revelación: me sumergí en los conocimientos científicos y tecnológicos de la electrodiná-mica, de las matemáticas superiores y de los desarrollos tecnológicos basados en las teorías atómica ycuántica que, como veremos en el texto, en gran medida se iniciaron a principios del siglo XX en estaregión del mundo y me quedé desde ese entonces enamorado de las ciencias, de sus grandes pensadoresy del mundo de las ideas científicas. Cuando me gradué, mis profesores me sugirieron que haga el doc-torado, pero como ya tenía esposa e hijo, me incliné por aceptar una oferta de los laboratorios de inves-tigación más importantes de Alemania para trabajar allí y de esta manera me vinculé con la investigacióncientífica y tecnológica. Estaré siempre agradecido con todos aquellos que me ayudaron y permitieronque viva mi experiencia europea; especialmente a mis profesores de la TUM.

Cuando regresé al Ecuador realicé un viaje en el tiempo, pero hacia el pasado; volví 50 años atrás yencontré que mis conocimientos científicos y tecnológicos adquiridos no eran aplicables y peor valora-dos en este medio. Después de un año de buscar trabajo comencé a trabajar vendiendo computadoras en1973. Después de un par de años, cuando trabajaba en una de las empresas comerciales más grandes deEcuador, nos propusimos traer al país una mini computadora que por ese entonces habían aparecido enEstados Unidos; pronto nos enteramos que el software que estaba disponible para estos equipos no per-mitía manejar terminales remotas, por lo que viajé al valle del Silicón en California y con un grupo demaestros del software comenzamos a desarrollar un nuevo idioma de programación y un sistema opera-tivo que funcionaron muy bien durante muchos años. Esta fue otra oportunidad muy importante y poreso mis agradecimientos a todos aquellos que me permitieron adquirir estas experiencias.

Un buen día, durante un cumpleaños de mi hermana Carmen, me encontré con el entonces Ministrode Finanzas del Ecuador, quien me propuso que vaya a trabajar con él como Subsecretario Técnico paraponer en funcionamiento los sistemas de computación y realizar la contabilidad gubernamental y el con-trol en las aduanas; luego fui Subsecretario Forestal en el Ministerio de Agricultura y este fue el comien-zo de otro viaje por la realidad del mundo de la política, de la ecología, de la economía, de lo social y delo complejo, que eran para mí totalmente desconocidos. Mis agradecimientos a todos aquellos que mebrindaron la oportunidad de ampliar mis visiones y comprensión de la complejidad.

Este periplo terminó en 1996 cuando ingresé como profesor a la Universidad San Francisco de Quito(USFQ), proyecto en el cual había colaborado desde sus inicios con Santiago Gangotena González yahora me enorgullece poder afirmar que es una de las mejores universidades del Ecuador y deLatinoamérica. En la USFQ volví a mis sueños de la infancia, las ciencias, ya que Santiago había con-cebido la idea genial de crear seminarios socráticos para todos los alumnos que ingresan a la USFQ, en

AGRADECIMIENTOS

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los cuales se discute con los estudiantes las principales ideas de las ciencias, de la filosofía e historia delas civilizaciones. Obviamente, el seminario que más me interesó fue el llamado Cosmos que trata sobrelas ciencias y me propuse, desde un principio, motivar a mis estudiantes para que compartan conmigo elasombro, la belleza y la elegancia de las ciencias para, de esta manera, acercarnos al conocimiento de larealidad del universo que nos rodea. Por esto mis agradecimientos para la USFQ y especialmente paraSantiago.

Inicialmente estos seminarios eran muy informales y resultaba problemático realizar diálogos ydebates interesantes con los estudiantes, ya que éstos llegan a la universidad con un gran desconocimientode las ciencias, por lo que consideré importante darle alguna estructura al seminario y empecé a redactarpoco a poco algunos temas; así fue naciendo un borrador del texto de ciencias. Hace poco tiempo se com-probó que la mayoría de los estudiantes no estaban satisfechos con la forma en la que se desarrollan estosseminarios y con Carlos Montúfar-Barba empezamos a trabajar en el contenido de este curso que es elmismo de este texto; por estos y otros motivos mis agradecimientos para Carlos y los seminarios socrá-ticos.

Quiero además agradecer a todos mis estudiantes de la USFQ que me motivaron para investigarestos temas tan importantes e interesantes del pensamiento científico y que fueron quienes, en defini-tiva, me indujeron a escribir este texto. También deseo agradecer a mis colegas empezando por ÁngelVillablanca, quien leyó y corrigió todo el texto y redactó las preguntas de repaso para cada capítulo; aMiguel Vásconez, quien me asistió en un curso, leyó el texto y me ayudó con las preguntas para refle-xión de cada capítulo; a Alexis Hidrob por su ayuda con el glosario. A Gilda Gallardo y a todos losque me ayudaron a componer el texto y a María Fernanda de Serrano, Patricia López y AndreaMontalvo, mis asistentes. Finalmente a mi familia, que tuvieron durante tantos años la paciencia paratolerar mis lecturas de cientos de libros científicos, de los grandes pensadores y divulgadores de laciencia; ellos son los verdaderos autores de este texto; los errores son sólo míos.

JORGE BARBACUMBAYÁ, SEPTIEMBRE 2007

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EL HILO CONDUCTOR

Most people…..think of what physicist do as questions of incredible complicated calculations, but that’snot really the essence of it.

The essence of it is that physics is about concepts. Wanting to understand the concepts, the principles bywhich the World works.

EDWARD WITTEN

Los temas principales que se tratan en este texto son la materia, la energía, el espacio y eltiempo. Los hilos conductores de este texto son varios, como veremos a continuación. Dicearriba Edward Witten, uno de los físicos más innovadores y creativos del siglo XX, que “lo

más importante en la física y en las ciencias en general son los conceptos; éstos son aún más importantes que loscálculos matemáticos, ya que si no se comprenden los significados de las ecuaciones, éstas de poco nos sirven.”Las ecuaciones en este texto son explicadas en palabras, no hay fórmulas matemáticas y en cadacaso se definen los conceptos y significados de las ecuaciones. De esta manera se van formandohebras cada vez más sofisticadas y complejas que forman la madeja de la ciencia moderna.

Perceptos y conceptos. Los perceptos son el producto de la percepción, que consiste en tra-tar de entender la realidad por medio de la observación detenida e inteligente. Como decía el granfilósofo alemán Nietzsche, “hay que tener una enorme paciencia al observar las cosas, hay que mirarlas dete-nidamente de todos los ángulos y condiciones.” Solo así se puede entender las verdades que están ocul-tas detrás de nuestros prejuicios y malos entendidos. Luego los perceptos se convierten en con-ceptos cuando son depurados y elaborados por la razón y los conocimientos previos.

Ideas y principios. Los conceptos se convierten en ideas cuando son procesados, verificadosexperimentalmente y refinados por la razón. Las ideas son presentadas a las comunidades y socie-dades de científicos y pensadores y cuando son publicadas y aceptadas por una cierta mayoría sepueden convertir en principios, que son ideas formuladas de una manera más precisa y práctica.

Teorías y leyes. Cuando las ideas y principios han pasado por un largo proceso de verifica-ción y experimentación, que confirman la validez de los principios, éstos se pueden convertir enteorías; a su vez, las teorías, cuando durante un largo período de tiempo han sido probadas yencontradas en todos los casos válidas, se convierten en leyes científicas.

Sistemas e interconexiones. Los sistemas son conjuntos de elementos interrelacionados, que tie-nen límites bien definidos y que pueden o no intercambiar energía, materia e información con el entor-no o con otros sistemas. En el mundo moderno se habla mucho de sistemas y en el texto, este es unode los temas recurrentes, de modo que vamos a estudiar en profundidad estos conceptos y sus inter-conexiones.

Coherencia y sindéresis. En la ciencia debe existir coherencia entre las distintas formas de very entender la realidad del universo en que habitamos. Gracias a nuestra conciencia e inteligencianos embarcamos desde hace mucho tiempo en esta búsqueda eterna de conocimientos, para lo cualdebemos ser coherentes; esto significa entre otras cosas, que las nuevas teorías no descartan auto-máticamente a las viejas, a menos que las anteriores hayan sido erradas e incorrectas. Por ejemplo,las ideas de Copérnico de que la Tierra gira alrededor de su eje y alrededor del Sol, dejaron sin fun-damento a las teorías geocéntricas de Aristóteles y Ptolomeo. La teoría de la Relatividad de Einstein,no descarta a las leyes de Newton, éstas se aplican cuando las velocidades no son cercanas a la velo-cidad de la luz. Debemos además tener sindéresis, es decir la habilidad para juzgar correctamentesu validez, el rango y las condiciones en que ciertas teorías son aplicables para descartar aquellasque no lo son.

Complejidad y sencillez. Los sistemas reales que se presentan en la naturaleza, en las socie-dades, en las comunidades de individuos, en el cosmos y en general en la realidad son extrema-damente complejos. Todo el edificio científico es muy difícil de entender, por eso se requieretanto estudio y preparación para llegar a comprender solo una pequeñísima parte de esta enormeestructura que crece cada vez más rápido. Las leyes científicas son extremadamente complejas,pero cuando se descubren ciertos criterios o formulaciones especiales, pueden reducir su com-

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plejidad y aparecer muy sencillas, como veremos en el texto.Simetría y geometría. La simetría es una de las cualidades más extraordinarias de las formula-

ciones y condiciones en que se desenvuelve la ciencia. Todo el capítulo nueve trata sobre la simetríaen la ciencia, especialmente en las leyes de la física, que no cambian cuando están sujetas a modifi-caciones. Lo más curioso es que, cada vez que se detectan simetrías, aparecen leyes que nos indicanque se conservan ciertas condiciones como la materia y la energía.

La geometría es otro de los elementos fundamentales en la idea de la ciencia, ya que para enten-der el mundo y la realidad tenemos que ubicar las cosas en un espacio y un tiempo determinado. Elespacio que conocemos es aquel de las tres dimensiones y del tiempo. Ahora los nuevos descubri-mientos nos revelan que existen siete dimensiones adicionales, que suponemos son tan pequeñasque nunca podremos verlas. El momento que funcionamos en un universo con muchas dimensio-nes, vemos que las leyes se simplifican y aparecen en formas extraordinariamente sencillas y ele-gantes.

Elegancia y belleza. La elegancia y la belleza son parte fundamental del hilo conceptual dela ciencia. No se puede concebir una teoría que sea desagradable y abiertamente fea, en estoscasos sabemos que algo anda mal. Por ejemplo, en las teorías científicas cuando se obtienen resul-tados absurdos como cantidades infinitas, se sabe inmediatamente que algo anda mal; al contra-rio, cuando algo tiene una belleza extraordinaria, entonces aún cuando no lo podemos probar, hayla sensación de que estamos en el camino correcto y que algún día se descubrirá la manera de pro-bar estas teorías tan interesantes y elegantes como veremos en el texto. La belleza se define en eldiccionario como: “la propiedad de las cosas que nos hace amarlas”, esto es lo que sucede con las teo-rías científicas elegantes; tienen una belleza interior y matemática que, para los que se dan el tra-bajo de estudiarlas y entenderlas, es suficiente para amarlas. Los subtemas que se tratan en losdoce capítulos son:

1. EL CAMINO DEL CONOCIMIENTO: cómo se desarrolló el conocimiento científico,qué es la ciencia, el método científico y cuáles son las pseudo-ciencias.

2. LOS ORÍGENES: el origen de la ciencia en la antigua Grecia, el origen del universo, laevolución de la vida, qué es la vida, el Homo Sapiens y la complejidad del cosmos.

3. EL ORDEN DEL UNIVERSO: el diseño del universo, el nacimiento de la mecánica, lasleyes de Newton y sobre qué es la realidad.

4. ENERGÍA: el calor y la energía, qué es la energía, tipos de energía, la primera ley de laTermodinámica, las ondas electromagnéticas y la generación de energía.

5. DEL ORDEN AL DESORDEN: la historia de la termodinámica, la entropía, las conse-cuencias de la segunda ley, la termodinámica y la economía y las limitaciones del universo.

6. EL ÁTOMO: la teoría atómica moderna, el núcleo del átomo, los elementos químicos, laestructura atómica, la energía atómica y la bomba atómica.

7. LA GRAN INCERTIDUMBRE: la historia de la mecánica cuántica, las ondas o las par-tículas, la nueva teoría cuántica y los cuantos.

8. ESPACIO-TIEMPO: el principio de relatividad, la relatividad especial, la relatividadgeneral, las soluciones de la relatividad y el pensamiento de Einstein.

9. SIMETRÍA, LA SINFONÍA CÓSMICA: la simetría en la ciencia, la teoría electromag-nética, las partículas elementales y la teoría de cuerdas.

10. COSMOLOGÍA: la historia de los conceptos sobre el Universo, la ley de Hubble, la cos-mología moderna, la geometría del universo, el universo primitivo y la evolución del universo.

11. LAS NUEVAS CIENCIAS: las nuevas ciencias de la complejidad y el caos, su historia,los fundamentos teóricos, el principio de complejidad, el de emergencia, el de auto-organizacióny el de co-evolución.

12. MÁS ALLÁ DEL FUTURO: el futuro de la vida, las civilizaciones del futuro, el futurodel universo y el futuro de la ciencia.

GLOSARIO DE TÉRMINOS CIENTÍFICOS: contiene cientos de definiciones y explica-ciones de los principales términos, conceptos, ideas, teorías y leyes de la ciencia.

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La ciencia, por Alen Lauzan FalconFuente:

http://tbn0.google.com/images?q=tbn:9YfkToblTjfaGM:http://www.cagle.com/artists/Lauzan/small/ciencia_espircopy-01.jpg

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Capítulo 1

INTRODUCCIÓN

El quehacer esencial de la ciencia es observar y percibir el mundo para tratar de entenderlo pormedio del proceso de descubrir ideas o relaciones que luego se convierten en preceptos, con-ceptos, hipótesis, teorías y leyes científicas cuando son verificadas con la experiencia y la

realidad. El investigador científico explora la realidad y trata de descubrir los misterios que ésta con-tiene, pero esto no es suficiente, la ciencia es mucho más que simplemente investigación.

La ciencia no es una mera acumulación de descubrimientos, datos y mediciones comoveremos más adelante. No es suficiente con medir extensamente ciertos fenómenos, sino quehay que diseñar y construir instrumentos, para por medio del método científico y la razón, esta-blecer las hipótesis, teorías y demás explicaciones de la realidad del cosmos.

Se considera también en la lexicología popular que ciencia es lo que hacen los científicos, loque es en realidad una tautología, es decir, una definición usando lo que se está definiendo; quela ciencia son todas las actividades empíricas, es decir, experimentales, pero se olvida a menudoque hay ciencias que no son experimentales como las matemáticas y la lógica.

Según Mario Bunge, el conocimiento humano se divide en dos grandes campos: “el de lascreencias, que incluye las ideologías, religiones, ideas políticas y las seudociencias; y el campo de la investiga-ción, que incluye las humanidades, las ciencias formales como la matemática y la lógica, las ciencias puras, lasciencias aplicadas y las tecnologías”. El campo de la investigación está en constante cambio y evolu-ción, mientras que el de las creencias es constante y permanente. En este capítulo vamos a estu-diar la historia y el desarrollo de las ciencias y del pensamiento científico. Vamos a definir debi-damente lo que es la ciencia y sus diferencias con la tecnología y con las seudociencias.

Bunge dice: “Mientras los animales inferiores están en el mundo, el hombre trata de entenderlo… En esteproceso, construye un mundo artificial; ese creciente cuerpo de ideas llamado ciencia”. Algo muy interesan-te de este proceso llamado ciencia, es que hemos descubierto que somos capaces de comprendermuchas cosas grandiosas y pequeñas; pero no todo lo comprendemos. Es decir, hemos determi-nado el alcance de nuestras posibilidades intelectuales y los límites de nuestra capacidad de per-cibir y entender.

Tenemos una enorme capacidad de asombro al contemplar la grandeza de los misterios apa-rentemente infinitos, que se van develando paulatinamente ante nuestras mentes. Con toda razónel filósofo romano de origen ibérico, Séneca, expresa: “Nuestro universo sería una cosa muy limitadasi no ofreciera a cada época algo que investigar... La naturaleza no revela sus misterios de una vez para siempre...Muchos son los descubrimientos reservados para las épocas futuras, cuando se haya borrado el recuerdo de noso-tros”.

Pero lo maravilloso de todo este viaje por los conocimientos científicos, es que el ser huma-no es una especie que, gracias a su enorme curiosidad, ha desarrollado el asombro necesario paraadmirar y reconocer lo que nos rodea. Hemos descubierto que la naturaleza es comprensiblepara nuestro intelecto, que podemos entender gran cantidad de cosas, talvez la mayoría,pero no todas. Además, que una creación humana como es la matemática, nos permite describirde una manera precisa y exacta los fenómenos naturales que podemos observar.

Dice Carl Sagan que: “el único lugar normal es el vacío vasto, frío y universal, la noche perpetua del

1EL CAMINO DEL CONOCIMIENTO

El hombre intenta hacerse una imagen simplificada e inteligente del mundo, en la forma que mejor le conviene; luego intenta sustituir este cosmos propio por el mundo

de la experiencia y así lo supera.ALBERT EINSTEIN

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espacio intergaláctico...” En esta inmensidad se hallan esparcidas por doquier miles de millones degalaxias, cada una de ellas contiene miles y miles de millones de estrellas y cada una de estasestrellas puede tener varios planetas. Se afirma que hay más galaxias en nuestro universo que gra-nos de arena en la Tierra.

Sabemos que hay una enorme posibilidad de que exista vida en la inmensidad del cosmos, loque es menos probable es que esas formas de vida hayan alcanzado un nivel de vida inteligente,igual o superior al nuestro. Sin embargo, de lo que sí estamos absolutamente seguros es que enuna galaxia de mediano tamaño, a la cual llamamos Vía Láctea, existe un planeta denominadoTierra, en el cual se presenta vida inteligente y consciente. La Vía Láctea contiene cerca de 400mil millones de estrellas que forman una galaxia de tipo espiral. De toda esta inmensidad de estre-llas, sólo conocemos relativamente bien a una: nuestro Sol.

Hay muchas cosas maravillosas que podemos descubrir, simplemente mirando el cieloen una noche despejada y alejados de las luces de las ciudades. Desde la antigüedad los astró-logos y astrónomos pasaban sus vidas mirando y tratando de interpretar lo que veían en el cielo.Una de las maravillas del cielo nocturno despejado es poder admirar el brazo de Orión de la Vía

Láctea, nuestra galaxia en todo su esplendor. Nuestros antepasadosnotaron que los cuerpos celestes, como los planetas, se mueven len-tamente. Los antiguos griegos los llamaron caminantes o trashumantesque es lo que significa en griego planeta.

Cada cultura ha tenido razones profundas para observar el cieloy plantearse preguntas sobre el origen, significado, razón de ser,pasado y futuro del Cosmos. Los intentos de los científicos por tra-tar de entender el universo, han dado lugar al desarrollo de unanueva ciencia que se denomina cosmología; para lograrlo fue nece-sario la conjunción de numerosos esfuerzos científicos a fin de aso-ciar los conocimientos y descubrimientos de ciencias como la ter-modinámica, hidrodinámica, astronomía, física atómica, física nucle-ar, física de las partículas elementales y relatividad entre otras. Todoesto con el objeto de conformar la base de la cosmología modernay que actualmente se conoce como astrofísica.

En cualquier ciencia moderna necesitamos desarrollar mode-los de la realidad para poder entender la enorme complejidad delcosmos y de la naturaleza. Solamente con estos modelos que se handesarrollado desde la antigüedad, ha sido posible entender poco apoco, la enormidad de los cielos y el universo. En un principio estosmodelos eran bastantes simples, pero explicaban algunas cualidadescomo los movimientos extraños de los planetas. Como veremos másadelante, el modelo de Ptolomeo con sus epiciclos del primer siglod.C., es un ejemplo de ello. En ese entonces se consideraba que laTierra era el centro del cosmos conocido, de modo que el Sol y elresto de planetas, así como las estrellas, giraban a su alrededor.

Dice Bunge que: ...la ciencia se nos aparece como la más deslumbran-te y asombrosa de las estrellas de la cultura… La grandeza es verdaderamentedeslumbrante si consideramos los enormes misterios que la ciencia nos ha per-mitido reconocer y entender. Es asombrosa si tomamos en cuenta que hemoslogrado penetrar en los más recónditos lugares, dentro de las partículas atómi-cas y en el principio del tiempo y del espacio.” También hemos sido capa-

ces de reconocer las limitaciones humanas para penetrar cada vez más profundo, tanto en lomicroscópico como en lo macroscópico. La grandeza de la ciencia es inseparable de los límites alos que puede llegar el intelecto humano.

En su obra El Ascenso del Hombre, Jacob Bronowski dice: “El hombre es una criatura singu-lar, con dones muy especiales que lo hacen único. El ser humano es el modelador de la naturaleza y de los pai-

EL CONOCIMIENTO CIENTIFICOLa Emergencia de la Comprensión

El hombre intenta hacerse una imagen simplificada e inteligente del mundoen la forma que mejor le conviene;luego intenta sustituir este cosmospropio por el mundo de la experiencia y así lo supera.

ALBERT EINSTEIN

• El conocimiento humano se divi-de en dos grandes campos:

• El de las creencias: que incluyelas ideologías, religiones, ideas po-líticas y las seudociencias

• Y el campo de la investigaciónque incluye las humanidades, lasciencias formales como la mate-mática y la lógica, las ciencias pu-ras, las ciencias aplicadas y las tec-nologías.

La Ciencia• Dice Bunge: la ciencia se nosaparece como la más deslumbrantey asombrosa de las estrellas de lacultura…..

• La grandeza es verdaderamentedeslumbrante si consideramos losenormes misterios que la ciencianos ha permitido reconocer y en-tender

• Es asombrosa si tomamos encuenta que hemos logrado pene-trar en los más recónditos luga-res, dentro de las partículas ató-micas y en el principio del tiempoy el espacio.

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Capítulo 1

sajes, por medio de su creatividad. No se encuentra circunscrito a ningún ambiente específico como el resto deanimales, aún teniendo menos habilidades como velocidad o fuerza para sobrevivir. Su habilidad más importan-te es su inteligencia y el poder de adaptación a los cambios ambientales y culturales”. El ascenso del hombrees uno de los mejores relatos de la evolución cultural de la humanidad y del desarrollo de la téc-nica, la ciencia, el arte y el pensamiento. (Bronowski Pag. 19)

Bronowski añade además: “El hombre asciende al descubrir los alcances de su potencial. La supe-rioridad de la humanidad se produce al entender y adaptarse al medio en que vive. Para la humanidad es muyimportante el placer que le proporcionan sus habilidades y destrezas, así, cuando descubre las herramientas, éstasse constituyen en el elemento indispensable para remodelar a la naturaleza y construir las civilizaciones en quevivimos”.

Una de las primeras civilizaciones que sentaron los fundamentos de la ciencia fue la griegaantigua; su influencia fue enorme en el desarrollo posterior que se produjo principalmente con elRenacimiento en Europa de la segunda mitad del siglo XIV. Durante el período de formación dela ciencia debemos fijarnos en el pequeño puñado de pensadores griegos y en su contribución ala revolución intelectual. En consecuencia, tenemos que darle todo el crédito a las figuras heléni-cas más importantes, comenzando por Tales de Mileto, Pitágoras, Demócrito, Epicuro sin olvi-darnos del más grande y prolífico pensador de la antigüedad: Aristóteles, que veremos en elsiguiente capítulo.

EL CONOCIMIENTO CIENTÍFICOEl cosmos de Aristóteles es perfectamente regular, él se imaginaba a la naturaleza como

un organismo racional y comprensible. Los helénicos desarrollaron el pensamiento lógico yel método para aplicarlo fue la geometría euclidiana. Luego de la caída del Imperio romanoen el siglo IV d.C., los escritos e ideas de Aristóteles se perdieron en Europa; sólo regresaron através de los árabes y de la escuela de traductores de Toledo, establecida por Alfonso el Sabio enel siglo XI, donde se traducían los libros más remarcables de la antigüedad a los cuatro idiomasmás importantes de ese entonces: griego, latín, árabe y hebreo.

En la Edad Media se produjeron pocos adelantos en la ciencia, más que nada estos ocurrie-ron en los pueblos árabes, que fueron los que los introdujeron nue-vamente en Europa. No es verdad que nada se hizo al respecto, peroes evidente que fue muy poco lo que se avanzó en esta época, conuna duración de casi mil años a partir de la caída del imperio roma-no. Después de la Edad Media aparece el pensamiento crítico y elmétodo científico. El conocimiento científico moderno se empiezaa desarrollar sistemáticamente a partir del Renacimiento. El Renacimiento

Existen discrepancias acerca de cuando se empezó a usar el tér-mino Renacimiento. Quienes se ocupan del arte y la literatura difie-ren con los que se ocupan de política, sociología, filosofía y ciencia.Vasari fue probablemente el primero en acuñar la palabra rinascita, o renacimiento. En esta época,“Europa emerge de la Edad Media en la que primó el pensamiento escolástico, desarrollado más que nada porrepresentantes religiosos. A medida que Europa surge de la Edad Media, la vida mejora y la literatura, la pintu-ra y el progreso de las ideas empiezan a adquirir importancia.”

Los principales factores que removieron a la Europa de la Edad Media son: Primero, elhallazgo de antiguos manuscritos, muchos de ellos introducidos por los árabes y traducidos enToledo de su lengua original. Estos libros proporcionaron a los intelectuales del Renacimientoacceso directo a las obras del pensamiento clásico. Segundo, fue la invención de los tipos móvi-les de la imprenta con Gutenberg en la ciudad de Maguncia en Alemania. Este invento escencialpara la difusión de la cultura permitió que el libro sea accesible a muchísimas personas y pasó aser el instrumento fundamental de la educación en Europa y otras regiones del mundo.Tercero,fue la creación de una serie de universidades en el siglo XIII en distintas partes de Europa, empe-

El Conocimiento Científico

• El Cosmos de Aristóteles es per-fectamente regular, como un or-ganismo racional y comprensible

• Los helénicos desarrollaron elpensamiento lógico y el métodopara aplicarlo fue la geometríaeuclidiana

• Después del siglo IV d.C, los es-critos e ideas de Aristóteles seperdieron en Europa.

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zando en París como una comunidad de profesores yen Bolonia como una comunidad de estudiantes; luegoel proceso se replicará en otras ciudades europeas.

Con el Renacimiento y la Reforma protestante seproduce una crisis en la concepción medieval delmundo, y ciertas universidades lentamente empiezan aaceptar el humanismo y la ciencia que renace nueva-mente. De esta manera “en Florencia se concentra la másgrande colección de obras de la humanidad, que muy pocospodían leer, pues muchas estaban en griego antiguo. Por estarazón, en 1428, se crea en Florencia una comisión para impul-sar una serie de cambios en el sistema de enseñanza, introdu-ciendo nuevamente las lenguas antiguas en el currículo de lasescuelas y universidades.” El Renacimiento fue la antítesisde la Edad Media: se desarrolló la innovación y lainventiva, lo que produjo un período de gran creativi-dad que desembocó en la gestación de la ciencia moder-na. Atkins afirma que: “la ciencia es la apoteosis del espíri-tu del renacimiento, un extraordinario monumento al espíritu

humano y al poder de com-prensión del insignificantecerebro humano.” (Atkins,Pag. 4)

Para tener una idea del desarrollo de la ciencia a partir delRenacimiento, es conveniente pasar revista a los aportes de los perso-najes más destacados desde esa época hasta nuestros tiempos.René Descartes

Este gran pensador nació en La Haye, región de Touraine,Francia, en 1596. De padres nobles y muy acomodados, nuncatuvo que trabajar en su vida. Con los jesuitas aprendió Latín, grie-go, matemática y filosofía escolástica. En la escuela Descartesllegó a la conclusión de que la única materia que valía la penaestudiar era la matemática; y ésta fue la pasión de toda su vida.Descartes es el pensador filosófico más reconocido como el ini-ciador de la filosofía moderna.

“La importancia de sus pensamientos radica en que decidiópensar por sí mismo y no continuar con la Filosofía Escolástica,que afirmaba que todo lo importante ya había sido descubierto porautoridades como Aristóteles y Santo Tomas de Aquino.” En laépoca de Descartes, el conocimiento escolástico era unamezcla de hechos empíricos, mitos, ocultismo, dogmasreligiosos y conjeturas desenfrenadas de la imaginación.Sin embargo, por esa misma época Copérnico escribe sutratado en el que prueba que el Sol está en el centro denuestro sistema solar. Kepler descubre las órbitas preci-sas de los planetas. Bacon escribe sobre el método cientí-fico y su importancia para la humanidad y Galileo descu-bre las leyes del movimiento, desvirtuando los errores deAristóteles. “Descartes fue el primero en revelar las leyes de laóptica al proponer que el ángulo de incidencia de la luz al refle-jarse en una superficie es igual al de reflexión. Pensó que toda lamateria se hallaba formada por corpúsculos minúsculos pero infi-

Figura No. 1 - 1 Imprenta de la época.Fuente: http://www.biografiasyvidas.com/monografia/gutenberg/imprenta.htm

El RenacimientoEn la Edad media primó el pensa-miento escolástico religioso

Los cambios para el Renacimientose inician con:

• La Escuela de Traductores deToledo

• La invención de los tipos móvi-les de la imprenta

• La creación de una serie de uni-versidades europeas

• La Reforma protestante, produ-ce una enorme crisis y ciertas uni-versidades aceptan el humanismo.

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Figura No.1 - 2 René Descartes.Fuente: http://www.daviddarling.info/images/Descartes.jpg

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Capítulo 1

nitamente divisibles, que toda la materia era extensión y por tanto no era posible la existencia del vacío ni de losátomos indivisibles.” Esta concepción de la materia resulta muy interesante, ya que como veremosen los capítulos siguientes, sabemos que los átomos están formadosde protones, neutrones y electrones y que los protones y neutronesestán formados por tres quarks.

“Descartes pensó que se debía desarrollar una nueva concepción de la cien-cia, que sea metódica y sistemática y la comparó con un árbol en cuyas raícesson la metafísica, el tronco es la física, y en sus ramas están la astronomía, lafilosofía, la alquimia, la geometría, la anatomía y la matemática.” Para él, nohabía mayor distinción entre lo que es ciencia y filosofía, pero esta-ba convencido de que la matemática era la estructura básica de todaslas ramas del conocimiento. “Descartes fue el que inició la matematizacióndel pensamiento científico moderno. Uno de sus aportes más importantes fueque concibió la importancia de investigar las causas que anteceden a los hechos,y no las causas finales, que para él eran un misterio de Dios.”

“Pienso, luego existo” es la frase famosa del padre del pensamien-to moderno. En su primera obra filosófica, Reglas para la direcciónde la mente, propone una serie de reglas sobre el razonamiento, quese pueden resumir en dos: “El objetivo del estudio es formar juicios vale-deros, y debemos estudiar solamente aquello que puede conocerse verdadera-mente, y no sólo aquello que creemos que es verdad.”

En los Ensayos de 1637 trata sobre óptica, meteorología y geo-metría, pero su obra más importante es el Discurso del método en laque condensó sus reglas para en forma adecuada manejar la razóny buscar la verdad en las ciencias. Descartes establece los siguien-tes preceptos:

1. No admitir como verdadera cosa alguna, como no supiese con evidenciaque lo es; es decir, evitar cuidadosamente la precipitación y la prevención, y no comprender en mis juicios nadamás que lo que se presentase tan clara y distintamente a mi espíritu, que no hubiese ninguna ocasión de ponerloen duda.

2. Dividir cada una de las dificultades que examinare en cuantas partes fuere posible y en cuantas requirie-se su mejor solución.

3. Conducir ordenadamente mis pensamientos, empezando por los objetos más simples y más fáciles de cono-cer, para ir ascendiendo poco a poco, gradualmente, hasta el conocimiento de los más compuestos, e incluso supo-niendo un orden entre los que no se preceden naturalmente.

4. Hacer en todos unos recuentos tan integrales y unas revisiones tan generales, que llegase a estar segurode no omitir nada. (Descartes, Pág. 26)

Leonardo da VinciLeonardo da Vinci (1452-1519) nació en la aldea de Vinci, cerca de Florencia. Fue hijo ile-

gítimo de Ser Piero, notario de Florencia, y por esta razón no pudo recibir una educación formalen las escuelas y universidades de Florencia. Creció con su abuelo y tío paternos, quienes lo edu-caron; a los diez años le enviaron al taller de Verrochio, quien en ese entonces era uno de losmejores escultores y pintores de Florencia. “Leonardo se convirtió en pintor, escultor, ingeniero, arqui-tecto, sabio y probablemente la persona más genial que ha existido en la humanidad y representa al nuevo hom-bre del renacimiento.”

Leonardo está considerado como el genio más completo de la humanidad, a pesar de que norecibió ninguna educación formal en escuelas y universidades como vimos antes. En cinco añosde labor pintó el cuadro más famoso del mundo, el retrato llamado la Mona Lisa que se exhibeen el Museo de Louvre, en París. Desarrolló una técnica de pintura llamada sfumato con la cualse pierden los bordes, diluye los contornos y las superficies, creando ambientes de gran belleza ypoesía, como sucede en la naturaleza con los cambios de umbra a penumbra. Leonardo logra enel arte no sólo representar las formas y los sentimientos con una belleza inigualable, sino con una

René Descartes

• El conocimiento escolástico erauna mezcla de empirismo, mitos,ocultismo, dogmas religiosos yconjeturas

• Descartes pensó que se debíadesarrollar la ciencia, metódica ysistemáticamente

• El estudio debe formar juiciosvalederos y debemos estudiar so-lamente aquello que puede cono-cerse verdaderamente.

El Método Cartesiano• Los problemas mayores debendividirse en sus componentes yanalizarlos separadamente y enforma matemática

• Reducir el problema utilizandola geometría analítica a un con-junto de ecuaciones y números

• Con el álgebra, solucionar lasecuaciones y obtener las respues-tas a los problemas

• Al terminar, debe avanzarse delo simple a lo complejo verifican-do todo cuidadosamente.

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luminosidad y transparencia increíbles; lo más importantees que logra ver a las personas, las plantas, el paisaje y losdetalles como expresiones de la naturaleza.

“Sus inventos y diseños de nuevos ingenios y máquinas son lomás extraordinario que la mente humana haya podido concebir, yque le dieron a la ciencia el sentido de la belleza en los detalles.” Enla época en que vivió todavía dominaban la cultura deEuropa, las ideas y la cosmología aristotélicas, por lo queLeonardo desconfiaba de todas las teorías. Había un desa-rrollo muy incipiente de la técnica y la tecnología, pero conel aporte de Leonardo, la técnica adquirió relevancia sus-tentada en la observación y percepción de los detallesindispensables. Sus trabajos al diseccionar cadáveres fue-ron la mejor manera de presentar de una manera especta-cular y precisa los detalles exactos de los cuerpos y en lasproporciones reales, es decir lo que es la AnatomíaHumana.

De esta forma Leonardo desarrolló el procedimientopara investigar los fenómenos naturales tomando en cuenta los detalles, midiendo, investigandoy haciendo una serie de pruebas y experimentos para dar sustento y bases teóricas a las ideas, pen-samientos, principios y teorías para aprender a pensar, desarrollar la inteligencia, las habilidadesy destrezas humanas. “Planeó realizar publicaciones sobre perspectiva, anatomía, mecánica, pintura, cosmo-logía, ingeniería militar; concibió nuevas máquinas como el submarino y los helicópteros, muchas de las cualesno llegó a realizar.” Publicó un Tratado de pintura en que demuestra su maestría en el uso delclaro-oscuro. Sus dibujos son al mismo tiempo arte pero también tienen la precisión necesariapara la ciencia. Cuando fue a Francia realizó una serie de estudios de Arquitectura para castillosy fortificaciones.

Parte fundamental del legado del maestro Leonardo son sus principios que en realidad cons-tituyen el verdadero Código Davinci:Curiosidad. Es la actitud de percibir la naturaleza y la vida con una sed de conocimiento insa-ciable para aprender permanentemente. Sin la curiosidad y la capacidad de asombro, no es posi-ble desarrollar la percepción, la ciencia y el arte como veremos en los capítulos siguientes.Leonardo conmina a los jóvenes a desarrollar estas herramientas, para que de esta manera pue-dan aprender eficazmente la ciencia y continuar su desarrollo. (Gelb, Pag. 53-83)Demostración. Consiste en poner a prueba los conocimientos a través de la experiencia y lasdemostraciones físicas. Se requiere, además, la persistencia necesaria para aprender de los erro-res. Sin las demostraciones y pruebas que se realizan por medio de los experimentos, no esposible verificar los conceptos y teorías de la ciencia. Este es el componente empírico de laciencia, que permitió el desarrollo del método científico sin el cual no puede existir el avancede los conocimientos científicos, como veremos más adelante en este mismo capítulo. (Gelb,Pag. 85-103)

Sensibilidad. Es el continuo refinamiento de nuestros sentidos, especialmente de la capacidadde observar, para reconocer, percibir y entender la realidad del mundo que nos rodea. La sensi-bilidad está íntimamente relacionada con la percepción, que es la capacidad de observar yentender lo que reconocemos de la realidad. La percepción es la base fundamental del desarro-llo científico, como veremos en los siguientes capítulos de este texto, sin ella no es posible des-cubrir los secretos del Universo. (Gelb, Pag. 105-155)

Figura No.1 - 3 Leonardo Da Vincii.Fuente: http://www.windows.ucar.edu/people/images/davinci.gif

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Capítulo 1

Complejidad. Consiste en la voluntad para reconocer y aceptar las paradojas, la ambigüedad yla incertidumbre que surgen de la complejidad del Universo. Hay que aprender a lidiar con lacomplejidad, el azar y todo aquello que no es preciso y bien delimitado. En el capítulo once, deLas Nuevas Ciencias, veremos como es posible lidiar con las ciencias de la complejidad y delcaos. (Gelb, Pag. 157-179)

Arte/Ciencia. Se trata del desarrollo del arte y la ciencia paralelamente, de lograr un ciertoequilibrio entre la lógica y la imaginación; es aprender a usar ambos lados del cerebro. Este esun tema muy importante especialmente de las ciencias que se inician en el siglo XX, en que elconcepto de la belleza pasa a formar parte fundamental de la ciencia. Hace casi seiscientos añosLeonardo previó que estos dos importantísimos campos de la actividad y creatividad humanadebían desarrollarse juntos. En el capítulo nueve veremos el tema de La Simetría, donde seexplica sistemáticamente la importancia de la belleza y de la imaginación en la ciencia. (Gelb,Pag. 181-209)

Corporalidad. Es el cultivo de la gracia, la ambidextraza, la coordinación de movimientos, delporte y de la imagen mental que tenemos de nosotros mismos.Estos conceptos que aparecen como aislados son en realidad partefundamental de los sistemas de la vida, de la inteligencia y de laciencia. En el capítulo dos trataremos del Origen de la vida y de losseres humanos, también llamados Homo sapiens o el hombre quepiensa y sabe. Sin un cuerpo que funcione no puede funcionar elcerebro, que es el centro donde se realiza el pensamiento que pro-duce las ideas y conceptos que nos permiten desarrollar la ciencia.(Gelb, Pag. 211-241)

Conexiones. Son el reconocimiento de las interconexiones de todoslos elementos de los sistemas que conforman el Cosmos y nuestroplaneta. Se trata de pensar en términos de sistemas y tratar deentender la complejidad del mundo moderno. El tema del pensa-miento sistémico es parte fundamental del desarrollo de la cienciamoderna y lo tratamos en detalle en todos los capítulos del texto,pero especialmente en los capítulos once y doce. (Gelb, Pag. 243-283)

Francis Bacon Francis Bacon nació el 22 de enero de 1561, el último hijo de Sir

Nicholas Bacon, quien era el Lord guarda-sellos de la reina Isabel I.Ingresó en Cambridge a la edad de doce años, a los quince viajó aFrancia como parte del séquito del Embajador inglés en ese país.Cuando regresó a los tres años por la muerte de su padre, continuósus estudios de leyes y fue abogado de las cortes y luego miembrodel Parlamento Inglés.

“Desde muy pequeño Bacon se interesó por las ciencias, no tanto por la parte experimental, sino por la filo-sofía de la ciencia, es decir, la epistemología. Fue uno de los mayores promotores del desarrollo de la ciencia ensu tiempo, al descartar los enfoques aristotélicos y escolásticos de la lógica deductiva por una nueva lógica expe-rimental e inductiva. Fue el gran impulsador del método científico al decir que toda teoría tiene que someter-se a los hechos, es decir, debe ser probada y verificada experimentalmente”. Decía Bacon que: “sobre lanaturaleza sólo se triunfa obedeciéndola” y que “la experimentación, que convierte al hombre en el intér-prete de la naturaleza, debe ser paciente y circunspecta”. Esta es una gran innovación y un salto cua-

Leonardo da Vinci

Sus principios son:

• Curiosidad, es la actitud de per-cibir la naturaleza y la vida, conuna sed de conocimiento insacia-ble

• Demostración, consiste en po-ner a prueba los conocimientos através de la experiencia

• Sensibilidad, es el continuo refi-namiento de nuestros sentidos

• Complejidad, consiste en la vo-luntad para reconocer y aceptarlas paradojas, la ambigüedad y laincertidumbre

• Arte/Ciencia, es el desarrollo delarte y la ciencia paralelamente, delograr un cierto equilibrio entre lalógica y la imaginación

• Corporalidad, el cultivo de lagracia, la ambidextraza, la coordi-nación de movimientos, del portey de la imagen mental

• Conexiones, son el reconoci-miento de las interconexiones detodos los elementos de los siste-mas que conforman el cosmos ynuestro planeta.

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litativo sobre las enseñanzas bíblicas que dicen quetenemos que dominar a la naturaleza.

Bacon manifiesta que “debemos controlar nuestrasexperiencias, sensaciones y percepciones, ya que están sujetasa todo tipo de errores, prejuicios, ídolos, fantasmas, confusio-nes, terminologías y demás aberraciones que provienen de latribu humana y de la tribu social” en la que habitamos,como encerrados en una caverna.

En su libro The Advancement of Learning, Baconaboga por “nuevos descubrimientos y sus aplicaciones a lavida diaria, no solamente con fines científicos”. Para lograrestos descubrimientos él propone organizar racional-mente la experimentación, “que debe sujetarse a un métodoque se fundamenta en la multiplicación de los experimentos y suexamen por medio de tablas de presencia, de ausencia y de gra-dos. Comprobando por medio de procedimientos adecuados si unfenómeno se relaciona o no con otros, estableciendo las causas yefectos en cada caso, pues la verdadera ciencia es la ciencia delas causas.” Luego de la experimentación realizada conprecisión y firmeza “se obtendrá por inducción la ley general, no una simple inducción totalizadora queresume los datos obtenidos, sino una inducción amplificadora, que supera e interrelaciona lo alcanzado paralograr la formulación de teorías y leyes generales”.

Bacon pide desarrollar el pensamiento crítico y sabio en todas las ocasiones, dice que “aque-llos que no están dispuestos a aplicar nuevos remedios, deben esperar muchos problemas y dificultades”. Quehay que “sopesar las ventajas y desventajas y buscar lo que predomina y de esta manera tomar las mejores deci-siones”. Su lema es investigar y discriminar. Afirma que “algunos libros son buenos para probarlos,otros hay que degustarlos y unos pocos deben ser masticados y digeridos”. Francis Bacon fue el gran impul-sador del desarrollo de la ciencia por medio de la experimentación, la observación y el pensa-miento inductivo, creando una revolución contra la escolástica, las supersticiones y el aristotelis-mo medievales. Bacon es uno de los grandes impulsadores del método científico, que comoveremos más adelante, es el pilar fundamental del desarrollo científico y tecnológico.(Bacon, Pag. 3-181)

Galileo GalileiDos grandes personalidades de la humanidad nacieron en 1564:

Galileo en la ciudad italiana de Pisa y William Shakespeare en laciudad inglesa de Stratford on Avon. Galileo era hijo de una familiaculta florentina, estudió matemáticas y sus descubrimientos le hicie-ron famoso desde muy joven. Dice Bronowski que: “era un hombrepequeño, fornido, dinámico, pelirrojo y con bastantes más hijos de los que unsoltero debe tener”. A los veinte y cinco años fue nombrado profesor dematemáticas de la Universidad de Padua, probablemente por su enor-me capacidad de innovación y su inventiva. (Bronowski, Pág. 198-200)

“Galileo consideró que para poder avanzar con el conocimiento científicoera indispensable verificar las teorías experimentalmente y combinarlas con lalógica inductiva y el razonamiento deductivo matemático. Fue además el granfundador de la dinámica, ciencia que estudia los cuerpos en movimiento.” En1602 estableció las leyes de la caída de los cuerpos y del movimien-to acelerado, usando un plano inclinado que le permitía medir el tiem-po con mayor precisión, ya que los cuerpos caen más lentamenteusando este instrumento.

Veremos estos conceptos y las leyes del movimiento acelerado en

Figura No. 1 - 4- Francis Bacon.Fuente:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/6/65/Francis_Bacon.jpg

Bacon • Fue el gran impulsador del mé-todo científico

• Decía que toda teoría tiene quesometerse a los hechos

• Que debe ser probada y verifica-da experimentalmente

• Sobre la naturaleza sólo setriunfa obedeciéndola

• Debemos controlar nuestras ex-periencias, sensaciones y percep-ciones

• Ya que éstas están sujetas a to-do tipo de errores, prejuicios, ído-los, fantasmas, confusiones,termi-nologías y demás aberracionesque provienen de la tribu humana

• Propone organizar racionalmen-te la experimentación, que debesujetarse a un método.

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Capítulo 1

detalle en el capítulo tres sobre El Orden del universo. “Cuando Galileo vio una lámpara que colgaba dela bóveda de la Catedral de Pisa y notó que las oscilaciones tenían la misma duración, decidió aplicar el péndulo a

los relojes para medir el tiempo. También inventó el termómetro y uncompás militar, que en realidad es una especie de regla de cálculo.” En1609 ciertos pulidores de lentes holandeses que habían desa-rrollado un catalejo primitivo de pocos aumentos, trataronde venderlo en Venecia, pero Galileo, que estaba al servicio dela República de Venecia y que era probablemente el mejorcientífico e inventor de este tiempo, lo desarrolló lograndoconvertirlo en un verdadero telescopio llegando hastatreinta aumentos. Con esto pudo observar claramente lasuperficie de la Luna, las lunas de Júpiter y los anillos deSaturno, las manchas en el Sol y en 1612 construyó el primermicroscopio y publicó en Venecia su libro: Siderus Nuncios oel mensajero celeste sobre estos descubrimientos que causaronsensación en las cortes de Europa y entre los navegantes ycomerciantes.

“En 1638 descubrió que la trayectoria de los proyectiles sigue unacurva de tipo parabólica e hizo el enunciado del principio de inercia ylas leyes para el cálculo de las velocidades del movimiento uniforme y

acelerado.” Veremos más sobre estos desarrollos en el capítulo tres sobre el Orden del universo.“Descubrió la ley de los vasos comunicantes, las relaciones de las frecuencias del sonido con las cuerdas vibran-tes y la resonancia de las ondas estacionarias del sonido.”

Fue tan extraordinaria la capacidad y el ingenio de Galileo que pronto había un numeroso grupode envidiosos que lo denunciaron a la Inquisición por enseñar las doctrinas de Copérnico con relaciónal movimiento de la Tierra alrededor de su eje y alrededor del Sol. “Galileo era una persona muy ingenuaen cuanto se refiere a los asuntos políticos, religiosos y a los prejuicios de esa época. En 1633 Galileo fue llevado aRoma para ser juzgado como hereje por la publicación de Diálogo sobre los dosMáximos Sistemas del Mundo, Tolomeico y Copernicano.” En estelibro declaró que el sistema heliocéntrico no era simplemente una hipó-tesis, sino que era la verdad y afirmaba que: “Yo considero que en las discu-ciones sobre los problemas físicos deberíamos partir no de la autoridad de los pasa-jes bíblicos, sino de las experiencias de los sentidos y de las demostraciones necesa-rias...” Luego afirmó que “las fuerzas de los cielos son las mismas que las de laTierra, con lo que los jueces de Roma declararon este sistema como absurdo almismo tiempo que herético.” En veinte días Galileo fue obligado de rodillasa abjurar de su obra y de la concepción copernicana y fue condenado aprisión en su casa de Arcetri, cerca de Florencia. El resultado fue el silen-cio de los católicos y la revolución científica se trasladó al norte deEuropa. Galileo se dedicó a escribir su último libro Las NuevasCiencias que tratan sobre la mecánica y del cual este texto toma sutítulo. Su hija María Celeste que era monja lo cuidó, pero murió a los dosaños y Galileo murió un poco después en 1642, el mismo año en quenació Newton. “Galileo fue una de las mentes más brillantes de su época y el grancreador del método experimental en la ciencia, además de que hizo muchas contri-buciones importantes que luego fueron aprovechadas especialmente por Newton.”(Bronowski Pág. 200 - 218)

Isaac Newton Isaac Newton nació en 1642, en Woolsthorpe, Inglaterra.

Como vimos antes Galileo había muerto ese mismo año y Keplerdoce años antes. Su padre Isaac, “un pequeño granjero salvaje, extra-

Figura No. 1 - 5 Galileo Galilei.Fuente: http://www.thuisexperimenteren.nl/science/galileo/galileo.jpg

Galileo

• Para poder avanzar con el conoci-miento científico, es indispensableverificar las teorías experimental-mente y combinarlo con la lógicainductiva y el razonamiento deduc-tivo matemático

• Aplicó el péndulo a los relojes, in-ventó el termómetro y el compásproporcional

• Estableció las leyes de la caída delos cuerpos y del movimiento acele-rado

• Descubrió la trayectoria parabóli-ca de los proyectiles

• El enunciado del principio de iner-cia y las leyes del movimiento unifor-me y acelerado

• Descubrió la ley de los vasos co-municantes, las relaciones de lasfrecuencias del sonido con las cuer-das vibrantes

• La resonancia con las ondas esta-cionarias del sonido y mejoró enor-memente al telescopio.

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vagante y débil,” como lo llamaba su abuela, murió antes de su nacimiento. Cuando Newtontenía tres años, su madre Hannah se volvió a casar y lo dejó al cuidado de su abuela. A la edadde diez años, su madre quedó viuda por segunda vez y volvieron a vivir juntos pero ya teníatres hermanos.

A los doce años, su madre decidió enviarlo a unaescuela libre de gramática en Grantham; se llamaba asíporque se enseñaba mayormente gramática latina, que erala lengua internacional de la cultura europea, con la cualNewton llegó a leer y asimilar las obras más importantesy escribir en latín con la misma facilidad que en inglés.

El libro Los Misterios de la Naturaleza y del Arte deJohn Bate “le sirvió de inspiración y formó su capacidad científi-ca. Al mismo tiempo mantenía un cuaderno con sus anotaciones dellibro y hacía listas alfabéticas de palabras bajo distintos títulos.”Esta cuidadosa organización y clasificación de la informa-ción en muchos cuadernos fue la clave para el desarrollode sus habilidades como pensador original y estudioso delas ciencias. Más tarde, en el verano de 1661, ingresócomo becario en el Trinity College de la Universidad deCambridge. “La educación oficial de Cambridge se basaba en lalógica, la ética y la retórica como base para el estudio de la filosofíaaristotélica. Newton recibió su título de bachiller en 1665.”

Durante los años de 1665 y 1666 de la peste negra, se cerró la Universidad de Cambridgey Newton regresó a su casa en Woolsthorpe y se dedicó a investigar y al estudio e interpreta-ción de los últimos avances en matemática y ciencias, que en ese entonces se llamaba FilosofíaNatural. Newton se concentró especialmente las obras de Copérnico, Brahe, Kepler y Galileo,que consideraban a la naturaleza como un organismo con un mecanismo muy complejo. Casiinmediatamente “realizó descubrimientos fundamentales en matemáticas que le fueron de gran utilidad ensu carrera científica, como las fluxiones que ahora conocemos como el cálculo diferencial e integral. Un méto-do nuevo y poderoso que Newton mantuvo en secreto, que dio inicio a la matemática moderna y que le permi-tió concebir la teoría de la gravitación universal y calcular la órbita de la Luna alrededor de la Tierra.” En1675 Leibniz llegó de forma independiente al mismo método de cálculo, al que llamó cálculodiferencial. Lo publicó antes que Newton, lo que hizo que Leibniz recibiera en exclusividad loselogios por el desarrollo de ese método. Recién en 1704 Newton publicó una exposición detalla-da del método de fluxiones, superando sus reticencias a divulgar sus investigaciones y descubri-mientos por temor a ser criticado.

“La óptica fue otra área por la que Newton demostró interés muy pronto y con ella probó su teoría de loscolores, haciendo pasar un rayo de luz solar a través de un prisma, dividiendo así la luz en colores indepen-dientes que la constituyen.” Su teoría era que la luz blanca del Sol es una mezcla de rayos dife-rentes, cada uno de ellos con un color distinto. En 1672 Newton envió una breve exposiciónde su teoría de los colores a la Sociedad Real de Londres, pero su publicación provocó muchascríticas. Esto le causó un enorme disgusto y se retiró a la soledad de su estudio en Cambridge.“En 1704 publicó su obra Óptica o un Tratado sobre las Reflexiones, Inflexiones y colores dela Luz, en donde explicaba detalladamente su teoría.”

En agosto de 1684 recibió la visita de Edmund Halley, un astrónomo y matemático con el quediscutió el problema del movimiento de los cuerpos celestes y de las órbitas planetarias. Halleyle pidió su opinión acerca de cuál sería la órbita de un planeta alrededor del Sol, suponiendo quela fuerza gravitatoria es proporcional al inverso del cuadrado de la distancia al Sol. Newton le res-pondió que “necesariamente sería una elipse.” Halley se sorprendió y le preguntó “cómo lo sabía”, a loque Newton respondió: “Porque lo he calculado”. Halley le pidió que le muestre los cálculos yNewton no los pudo encontrar, pero le prometió que los repetiría y los enviaría posteriormente.Como resultado de la visita de Halley, volvió a interesarse por estos temas y durante los tres añossiguientes, “desarrolló la moderna ciencia de la Mecánica, formulando las tres leyes del movimiento. Aplicó

Figura No. 1 - 6 Isaac Newton.Fuente: http://www.crystalinks.com/newton.jpg

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Capítulo 1

estas leyes a las de Kepler sobre el movimiento en orbitas elípticas y dedujo la ley de la gravitación universal,”(estas leyes serán explicadas en detalle en el capítulo tres bajo el título: El Nacimiento de laMecánica.)

En 1687 publicó su obra maestra: los Principios Matemáticos de la Filosofía Natural,obra que está estructurada como los Elementos de la Geometría de Euclides, con “definiciones,axiomas, proposiciones, lemas, corolarios y escolios y que fue la mayor revolución conceptual del sistema delmundo bajo un solo sistema de leyes.” (Bronowski, Pág. 233)

En este libro establece entre otras cosas los conceptos de “masa, fuerza, movimiento y defineespacio y tiempo como absolutos, esto significa que el espacio es plano e infinito, y que el tiempo es igual en todolugar del Universo.” Ahora sabemos por medio de la relatividad de Einstein que estos conceptosestán errados, sin embargo, esta obra está considerada como un ejemplo del poder de una de lasmentes más brillantes de la humanidad. Según algunos críticos es lo mejor que se ha escrito en lahistoria de la ciencia. “Además de su interés por la ciencia, Newton también se sintió atraído por el estudio dela alquimia, el misticismo y la teología.” Muchas páginas de sus notas y escritos están dedicadas a estostemas. Sin embargo, los historiadores han encontrado poca relación entre estas inquietudes y sustrabajos científicos (Hawking, Newton Pag. 643-649).

En el Libro Tercero de los Principia, Sobre el Sistema del Mundo, establece cuáles debenser las reglas para filosofar del pensamiento racional:

“Regla I. No deben admitirse más causas de las cosas naturales que aquellas que sean verdaderas y suficietes para explicar estos fenómenos.Regla II. Por ello, en tanto que sea posible, hay que asignar las mismas causas a los efectos naturales delmismo género; este es el fundamento de la causalidad.Regla III. Han de considerarse cualidades universales de los cuerpos aquellas que no pueden aumentar o dis-minuir y que afectan a todos los cuerpos sobre los cuales es posible hacer experimentos. Regla IV. Las proposiciones obtenidas por inducción a partir de los fenómenos, pese a las hipótesis contrarias,han de ser tenidas en filosofía experimental por verdaderas y exactas, o si son aproximadas, se las tomará encuenta hasta que aparezcan otros fenómenos que las hagan o más exactas o expuestas a excepciones.”(Hawking, Newton Pag. 915-917) Estas reglas son parte integral del Método Científico, como veremos más adelante en estecapítulo. Newton define a la ciencia como: “La filosofía natural que consiste en descubrir la estruc-tura y funcionamiento de la naturaleza y reducirlos, dentro de lo posible, a reglas generales; dichas reglasdeben establecerse mediante observaciones y experimentos, y a partir de ellos inferir las causas y efectos delas cosas.” (Rankin, Pag. 21-148) Y termina sus Principios Matemáticos diciendo que: “Hastaaquí he expuesto los fenómenos de los cielos y de nuestro mar por la fuerza de la gravedad, pero todavía nohe asignado causa a la gravedad”. Newton esperaba que sean las futuras generaciones las que des-cubran la verdadera naturaleza de la gravedad.

Gottfried Wilhelm LeibnizLeibniz nació el 1 de julio de 1646 en la ciudad de

Lepzig, en donde vivió hasta tener veinte años. Su padre fueprofesor de moral en la universidad, abogado y un gran lectorya que tenía una muy buena biblioteca. Se preocupó mucho dela educación de su hijo, introduciéndole en el mundo de loslibros; cuando Leibniz tenía seis años murió el padre y labiblioteca pasó a ser su propiedad. Su formación fue casi auto-didacta y a los doce años ya había leído a Platón, Aristóteles,Virgilio y los demás clásicos latinos. A los trece años leyó a losescolásticos y a los quince a los modernos como Bacon, Kepler,Galileo, Descartes y otros. Estas y otras circunstancias fueronlas principales motivaciones para que se convierta en una per-

Newton

Establece las reglas del pensa-miento racional:

• No debemos aceptar otras cau-sas sino aquellas que son verdade-ras y suficientes para explicar losfenómenos

• A los mismos efectos debemosasignar las mismas causas

• Las cualidades de los cuerpos deacuerdo a los experimentos sonuniversales

• Las proposiciones inferidas porinducción deben ser aceptadas sino hay otras hipótesis contradic-torias.

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sona enormemente original y creativa. “En la universidad, su leit-motiv fue unir el pensamiento antiguo y escolástico con la ciencia moderna;

se propuso superar a Descartes al tratar de armonizar los postulados platónicos, aristotélicos y escolásticos conlas más opuestas tendencias filosóficas modernas.” Después de obtener su doctorado, en sus viajesy en los ratos libres se dedicó a estudiar la alquimia y escribió un libro llamadoDisertación sobre el arte combinatorio, en el que sentó las bases teóricas de la lógica sim-bólica, dando nueva vida a la lógica aristotélica y que nos permite ahora diseñar ordena-dores, robots y calculadoras.

Entró a trabajar en la corte del Duque de Hannover, lo que le permitió tener sus pro-pios ingresos y empezó a relacionarse con los príncipes y nobles del centro de Europa yde esta manera viajó a París, donde mejoró notablemente su formación intelectual. En estaciudad estudió los manuscritos de Descartes, Pascal y conoce a Huygens, quien se con-vierte en su profesor de matemáticas. También publica su Cálculo de Diferencias, queahora llamamos cálculo diferencial y al respecto manifiesta que: “El cálculo no es otra cosa, dehecho, que una operación mediante símbolos, que tiene lugar no solo en el caso de las cantidades, sino tambiénen cualquier otro razonamiento.” (Agazzi Pag. 78)

Construye una máquina que hacía aritmética y que esprecursora de los ordenadores. Al volver a Hannover se con-vierte en un hombre de corte, y se mantiene fiel a su señor elDuque, pero al mismo tiempo aceptó servir a otros personajes ynobles siempre que le paguen por sus servicios filosóficos,científicos, religiosos y políticos.

En 1864 publica sus Meditaciones sobre el conocimien-to, la verdad y las ideas, que es una recopilación de su sistemafilosófico, después su Discurso de Metafísica, Investigacionessobre el Análisis de las nociones, Monadología, Principios dela Naturaleza y de la Gracia fundados en la razón, y otrasobras más. (Echeverría Pág. 16-37)

Leibniz fue un persona imbuída de una curiosidad universal, se interesaba portodos los temas de la filosofía y la ciencia conocidos en su tiempo, pero al mismo tiempoexploró y desarrolló temas en regiones todavía desconocidas con una rigurosidad muygrande. “Fue uno de los precursores de los conceptos de la lógica simbólica también llamada logística, desa-rrolló el concepto de la energía cinética, estudió la hidrodinámica y el magnetismo y aplicó estos conocimientosa obras de ingeniería. Construyó una de las primeras calculadoras, relojes, barómetros y estudió la resistencia delos materiales. Fue uno de los inventores del cálculo diferencial e integral, de la matemática binaria y de las pro-babilidades, estudió además aritmética, geometría, álgebra, análisis matemático, astronomía, teoría de la luz, ópti-ca, acústica, astronomía.” Pero sus contribuciones más importantes fueron en los campos de lalógica simbólica, que pretendía desarrollar un lenguaje simbólico que por medio de íco-nos o símbolos, pudiera representar los conceptos y las leyes de la razón. Algo parecido alos símbolos de la química que permiten representar los elementos y sus distintas formasde combinarse por medio de un cálculo lógico, como le llamó Leibniz. Por ejemplo, laaseveración de que: “todas las manzanas son frutas, se puede representar por medio de todos los A son B”.La lógica simbólica fue desarrollada luego por Boole, Peirce, Frege, Peano, Russel ymuchos otros más y permitió el desarrollo de los ordenadores y las calculadoras.

Sus investigaciones matemáticas con el cálculo diferencial e integral se funda-mentaron en que se dió cuenta de que la derivación es lo opuesto de la integración. Leibniz

Figura No. 1 - 7 LeibnizzFuente:http://www.unipv.it/deontica/Gallpics/classici/Leibniz.jpg

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Capítulo 1

introdujo el concepto de función y estableció las relaciones entre las funciones y la geo-metría analítica. Además, se diferencia del cálculo de Newton en la notación; actualmen-te usamos la notación de Leibniz y no la de Newton.

Leibniz en su teoría de la lengua y los signos, establece los estudios linguísticosque habrían de desembocar en la semiología moderna. Leibniz consideraba que el len-guaje ordinario tiene una serie de deficiencias: “Las lenguas habladas, aunque sean en general úti-les para el pensamiento discursivo, están, sin embargo, sujetas a innumerables ambiguedades de significado y nopueden ofrecer las ventajas del cálculo.” (Agazzi Pág. 81) Ya que no depende solo de la estructu-ra gramatical, sino de la capacidad para razonar y de representar la realidad por medio delas ideas, de modo que el lenguaje es sobre todo un elemento de la razón que nos permi-te llegar al conocimiento de la realidad.

“Leibniz llegó a la conclusión de que vivimos en el mejor de los mundos posibles y que el espacio y eltiempo no existen, ya que no existe un marco de referencia absoluto y por tanto espacio y tiempo son meras supo-siciones perniciosas.” En su libro Monadología, asevera que: “la mónada ...no es otra cosa que unasubstancia simple. Esas mónadas son los verdaderos átomos de la naturalez y en una palabra, los elementos delas cosas.” (Leibniz Pag. 69) Con lo que demuestra una enorme intuición científica paraimaginarse de qué está hecho el Cosmos. Luego afirma que: “Presumo...que todo ser creado estásujeto al cambio y por consiguiente también lo está la mónada y que los cambios naturales de las mónadas pro-vienen de un principio interno, puesto que una cosa externa no podría influir en su interior.” (Leibniz Pag.70-71).

Leibniz dice que: “Nuestros razonamientos se fundan en dos grandes principios: el de contradic-ción, en virtud del cual juzgamos falso lo que contiene una contradicción, y verdadero lo que es opuesto o con-tradictorio a lo falso. Y el de razón suficiente, en virtud del cual consideramos que ningún hecho puede ser ver-dadero o existente, sin que haya una razón suficiente para que sea de ese modo y no de otro.” (Leibniz Pag.75-76). De esta manera probó sus aseveraciones mediante sus dos principios filosóficos.Leibniz estaba convencido de que las ciencias y la ampliación del conocimiento y de laeducación en general, sería uno de los mejores caminos para el acercamiento universal delos seres humanos. Defitivamente fue un hombre del Renacimiento, una mente universal,una de las más brillantes de Europa, que aportó con numerosas ideas y descubrimientosmatemáticos que han permanecido vigentes hasta nuestraépoca. (Echeverría Pág. 111-139)

En la revista Scientific American de marzo del 2006(Pág 76-81) Gregory Chaitin expresa que combinando las ideasde Leibniz sobre la complejidad y el azar de 1686, expresadasen su Discurso de Metafísica, en donde afirma que: “una teoríatiene que ser más sencilla que los datos que trata de explicar, ya que de otramanera no se explica nada”. Con la moderna teoría algorítmica dela información, se puede ampliar el teorema de Goedel y pro-bar que existen un número infinito de teoremas matemáticosverdaderos que no pueden ser probados a partir de un sistemade axiomas finitos. Dice Chaitin que: “Leibniz anticipó una serie decaracterísticas de la teoría algorítmica de la información, hace más de 300 añosatrás”.

Charles DarwinCharles Darwin nació en la ciudad de Shrewsbury, Inglaterra, el 9

de febrero de 1809. Sus padres fueron Robert Darwin y Susana Potter.Su padre fue un próspero médico de campo, hijo de Erasmus Darwin, médico y biólogo famoso porsu pensamiento evolucionista en el siglo XVIII. Su madre fue hija de Josiah Potter, conocido por la

Leibniz

Precursor de la lógica simbólica,también llamada logística.

Desarrolló el concepto de energíacinética.

Estudió hidrodinámica, magnetis-mo y resistencia de materiales.

Construyó una de las primerascalculadoras, relojes y barómetros

Fue uno de los inventores del cál-culo diferencial e integral, de lamatemática binaria y de las pro-babilidades.

Sus contribuciones más importan-tes fueron en los campos de lateoría de la lengua y la simbolo-gía.

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producción de cerámica de la marca Wedgewood que existetodavía.

Josiah Wedgewood, el abuelo materno de Darwin, logródominar la técnica del cocido de la cerámica al determinar latemperatura correcta por medio del color de la llama en elhorno y era muy amigo de su abuelo paterno, Erasmus.“Ambos eran miembros de la Lunar Society (Sociedad Lunar) deBirmingham, un club de personalidades científicas, industriales e inte-lectuales de la región central de Inglaterra que se reunía una vez pormes, en las noches de luna llena (que les permitía, mediante su luz,regresar a caballo hacia sus casas), para conversar de tecnología, cien-cia y otros temas de interés como la química, agrimensura, geología,meteorología; se diseñaban planos para nuevos canales de agua, dis-positivos para aprovechar la fuerza del viento y del vapor, entre otros.”

La Sociedad Lunar fue el semillero intelectual de larevolución industrial en Inglaterra. Ahí se reunían entreotras personalidades, James Watt, quien mejoró la máqui-na de vapor con un condensador independiente, que pro-pulsó todas las manufacturas y unidades de producción ytransporte de la era industrial que se iniciaba.

Dice Miller que: “La curiosidad científica no es un talento humano innato. Se va formando y encau-zando de acuerdo con las situaciones sociales, las instituciones y los intereses creados, que dan a ciertas inves-tigaciones su inspiración e impulso característicos.” Y esto es precisamente lo que sucedió con CharlesDarwin. Cuando le enviaron a la escuela, encontró que ésta no le permitía educarse debida-mente, igual que Einstein. Sin embargo, desde un principio demostró un enorme interés porcoleccionar minerales, insectos, huevos de pájaros, ratones, etc.

Fue enviado luego a Edimburgo, en Escocia, conocida como la Atenas del Norte, que era elcentro intelectual que produjo pensadores de la talla de Hume, Adam Smith, Maxwell y otros.El joven Darwin inició sus estudios de medicina pero no podía soportar las amputaciones sinanestesia y la mayoría de las clases le aburrían. Leía mucho, especialmente sobre las teoríasevolucionistas como la de Lamarck y continuó con sus colecciones y estudios de historia natu-ral. Sin embargo, “lo que más le impactó fue el libro Principios de Geología de Lyell y desde entonces vioa la Tierra como un sistema complejo de transformaciones, bajo las fuerzas telúricas de la geología.”

Por gestiones de su profesor de la universidad, se embarcó en la nave Beagle, un barco deinvestigación que realizó un viaje de cinco años para cartografiar los puertos más importantesdel mundo.“En cada playa que desembarcaban Darwin recogía gran cantidad de especímenes que luego dise-caba, pero además, examinaba el paisaje geológico y confirmaba las ideas de Lyell.” Lo más importante delviaje es que le permitió ordenar sus pensamientos y observar la historia natural con la debidaperspectiva. Con esto reordenó su mente hacia la teoría de la evolución por selección natural.Darwin encontró que en archipiélagos como Galápagos, cada isla tenía su flora y fauna propias,pero que eran variaciones de un mismo tipo original. Las tortugas y los pájaros pinzones tení-an en cada isla características diferentes en lo referente a sus caparazones y picos.

“En 1837 ya había descubierto que la vida evolucionaba como resultado de la descendencia con modi-ficación y que los organismos simples podían dar origen a otros más complejos sin desaparecer en el proce-so.” Basándose en Lamarck, llegó a la idea errada de que el ambiente tiene un efecto directosobre los cambios biológicos que se producen en las especies. Aún no sabía qué motivaba ydirigía la evolución, pero poco a poco se dio cuenta que es la cría selectiva la que permite alos agricultores iniciar nuevas variedades de animales. “En la naturaleza no hay cría selectiva, sinocompetencia y selección natural que eliminan automáticamente lo inadecuado.”

En la introducción de su obra dice Darwin: “When on board of the H.M.S. Beagle, as naturalist, Iwas struck with certain facts in the distribution of the organic beings inhabiting South America….Thesefacts…seemed to throw some light in the origin of species - the mystery of mysteries…” Darwin considerabaque era muy importante entender cómo se producen las modificaciones y la co-adaptación de las

Figura No. 1 - 8- Charles Darwin.Fuente: http://javalab.cs.uni-bonn.de/research/darwin/images/darwin.jpg

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Capítulo 1

especies y para esto estudió los procesos que se utilizan con los ani-males y plantas domésticas. Él consideraba que: “la lucha por la exis-tencia que se produce entre los seres vivos se desprende de las premisas queMalthus estableció para los humanos, y que dicen que aquellos individuos queestán mejor preparados son los que por medio de la selección natural tendránmayor probabilidad de sobrevivir.” (Darwin, Pag. 19-22)

La selección natural es una consecuencia de los cambios geológicosde la Tierra a lo largo de miles de millones de años, en que la vida debíacambiar y adaptarse para poder sobrevivir. La naturaleza ofrece unnúmero infinito de variaciones fortuitas y hereditarias, y la cantidad deseres vivos obliga a una lucha y competencia que producen las especiesque mejor se adaptan para sobrevivir. Darwin sabía que las teorías cien-tíficas que no han sido inducidas y verificadas a partir de hechos y expe-rimentos, se quedan sólo en hipótesis, y la evolución no se puede obser-var directamente, se necesitan millones de años para ver los cambios.Por esto recopiló miles de especies y objetos que prueben este procesoevolutivo, lo que ahora está plenamente reconocido como uno de losaciertos más importantes del pensamiento científico moderno. Darwintermina su obra maestra con el siguiente párrafo siendo la últimapalabra evolución, que usa muy pocas veces en el texto: “..whilst thisplanet has gone cycling on according to the fixed law of gravity, from so simple abeginning endless forms most beautiful and most wonderful have been, and arebeing, evolved”. Estos temas los tratamos más profundamente en el capí-tulo dos. (Darwin, Pag. 506)Albert Einstein

Nace en la ciudad de Ulm, Alemania, el 14 de marzo de 1879, en una Europa convulsionada porlos movimientos socialistas y comunistas. En esta época el capitalismo monopólico necesitabaurgentemente de nuevos mercados para poder seguir su proceso expansivo, por lo que comenzó lacreación y expansión de los imperios europeos. Esta fue una era llena de conflictos, en 1870 se ini-cia la guerra franco-prusiana que termina con la anexión de Alsacia-Lorena a Alemania y el impe-rio Alemán recibe una indemnización de 5.000 millones de francos. En 1871 un grupo de obrerosse toma el gobierno de París y forma la comuna de París durante tres meses, pero con la ayudade la armada prusiana se los derrota y 30.000 comuneros son ejecutados por las autoridades

francesas. En 1873 se produce la gran crisis financieramundial, que causó grandes penurias para los pequeñosempresarios como el padre de Einstein, que se vio muyafectado por todos estos acontecimientos y las conti-nuas luchas de los obreros socialistas.

Dice Einstein en sus Notas Autobiográficas: “Muypronto tomé conciencia de la insignificancia de las aspiracionese ilusiones que abruman sin descanso a la mayoría de los hom-bres....aunque mis padres eran judíos absolutamente descreídos,yo fui profundamente religioso hasta que...los libros de divulga-ción científica que leía me demostraron que los relatos bíblicosno podían ser ciertos...”

El joven Einstein era un chico soñador que a los 9años todavía hablaba de una manera lenta y vacilante. Sumaestro de escuela le dijo a su padre que Einstein nuncaharía algo de provecho, pero su madre le motivaba dicién-

dole que algún día sería un gran profesor. Einstein diceque: “la pérdida de aquel paraíso religioso de mi infancia fue miprimer intento de liberarme de las ataduras....de una vida domina-

Darwin

I was struck with certain facts in thedistribution of the organic beingsinhabiting South America….Thesefacts…seemed to throw some light inthe origin of species-the mystery ofmysteries

..Whilst this planet has gone cyclingon according to the fixed law of gra-vity, from so simple a beginning end-less forms most beautiful and mostwonderful have been, and are being,evolved.

Selección Natural• La selección natural es una con-secuencia de los cambios geológi-cos de la Tierra

• En que la vida debía cambiar yadaptarse para poder sobrevivir

• La naturaleza ofrece un númeroinfinito de variaciones fortuitas yhereditarias

• La cantidad de seres vivos obligaa una lucha y competencia queproduce las variaciones que mejorse adaptan para sobrevivir.

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Figura No. 1 - 9 Albert Einstein.Fuente: http://streams.gandhiserve.org/images/einstein.jpg

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da por sueños, anhelos y sentimientos primarios. Más allá....se extendía el gran mundo...enorme y eterno, pero com-prensible. Al menos parcialmente, mediante la investigación y el pensamiento”. Para Einstein la comprensión delmundo externo y real pasó a ser la preocupación principal de su vida, siguiendo a los grandes pensa-dores y científicos que le inspiraron para descubrir las últimas verdades del universo, del espacio, deltiempo, de la materia y la energía.

Dice Einstein que su intención principal era aprender conceptualmente las cosas: “El giro decisi-vo...se produce cuando la atención se separa progresivamente de lo momentáneo y de lo meramente personal y se cen-tra en la pretensión de aprender conceptualmente las cosas”. Einstein se pregunta: “¿Qué es, en realidad, pensar?”y se da cuenta que las imágenes que emergen de la memoria y de las percepciones, ni sus encadena-mientos son pensamientos, solamente cuando las ideas se asocian con los conceptos, se convierten enpensamientos: “Solamente cuando ciertas imágenes aparecen de manera recurrente y se convierten en elementosordenadores que permiten la asociación con otras ideas y que dan la importancia a los conceptos, entonces se convier-ten en pensamientos, como un juego libre con conceptos cuya justificación radica en el grado de comprensión de nues-tras experiencias sensoriales.”

Dice Einstein que experimentó un gran asombro cuando su padre le enseñó una brújula y que estaexperiencia le impresionó de manera profunda, ya que se dio cuenta de que “detrás de las cosas debía dehaber algo tremendamente oculto”. A los doce años se asombró nuevamente al leer un libro sobre geome-tría plana, ya que vio maravillado cómo Euclides probaba los teoremas en base a los axiomas y des-cubrió de esta manera un nuevo mundo, el del espacio y de las matemáticas en donde “los conceptos yproposiciones solo cobran sentido o contenido a través de su relación con las experiencias de los sentidos”. (Einstein2005 Pág. 43-47)

A pesar de no tener un diploma de secundaria, Einstein se presenta a dar los exámenes de ingresoen el Politécnico de Zurich (ETH), pero no aprueba en francés, inglés, zoología y botánica; en cambioobtiene muy buenas notas en matemática y física, de modo que le permiten que se prepare para unnuevo examen. Einstein se gradúa en el internado de Aarau en Suiza y aprueba los exámenes de admi-sión al ETH. El departamento de física del ETH era en 1893 de los mejores del mundo, no sólo con-taba con los mejores profesores y laboratorios sino con un edificio enorme, de modo que Einstein sepasaba haciendo experimentos en el laboratorio de física. De esta época Einstein comenta que: “dese-aba apartarme de lo que no era esencial. Obviamente los exámenes constituían un obstáculo en mi camino; pero enSuiza sólo debía aprobarlos y salvo ese detalle, podía hacer lo que quería”. De modo que él no asistía a la mayorparte de las clases magistrales, solo estudiaba con los apuntes de su amigo Marcel.

Einstein admiraba especialmente la electricidad y la electrodinámica de Faraday, Maxwell yHertz. En 1895 Helmholzt había escrito las ecuaciones de Maxwell en su forma actual, su ayu-dante Hertz las había verificado experimentalmente y se buscaba afanosamente el éter. “Dos esta-dounidenses, Michelson y Morley habían hecho un experimento intentando descubrir el movimiento de la Tierrapor el éter y no hallaron ningún efecto,” como veremos en detalle en el capítulo ocho sobre la Teoríade la Relatividad.

Einstein hacía frecuentemente experimentos mentales y en uno de ellos se propuso imaginarcómo sería viajar a la velocidad de la luz, y comenzó a enfocar el problema del éter desde unanueva perspectiva. Él se imaginaba viajando a la velocidad de la luz con un espejo frente a su caray se preguntaba si se podría mirar en el espejo; Einstein exploró con sus amigos de la ETH esteenigma por más de 10 años y llegó a la conclusión de que sí era posible verse en el espejo, esdecir, que no había ningún impedimento físico para esto.

Dice Einstein que: “el libro de Mecánica de Ernst Mach, un famoso físico austriaco, causó un granefecto en mi”. En este libro Mach dice que: “Nadie está calificado para hacer afirmaciones acercadel espacio absoluto y del movimiento absoluto; dichas afirmaciones son meras ideas, construcciones pura-mente mentales, que no pueden demostrarse mediante la experiencia”. Estas ideas le ayudaron a Einsteina desechar el concepto del éter y los absolutos establecidos por Newton del espacio y del tiempo,y se convenció de que la teoría de la relatividad era la solución a estos problemas imposibles.(Schwartz, Guinness Pag. 5-82)

“1905 fue un año milagroso para Einstein, envió cuatro artículos a la revista Annalen der Physic, tres apa-recieron juntos en el número 17, el primero era sobre los cuantos de luz y el efecto fotoeléctrico, que Einstein loconsideraba revolucionario.

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Capítulo 1

Este artículo fue decisivo para la formulación de la física cuántica. Elsegundo era sobre una nueva determinación de las dimensiones moleculares yel tercero sobre el movimiento de pequeñas partículas suspendidas en líquidosen resposo, en que probaba que este movimiento era producido por los choquesde las partículas con los átomos del líquido.

El último artículo fue sobre la electrodinámica de los cuerpos en movi-miento, conocida ahora como la Teoría Especial de la Relatividad” que sedetalla en el capítulo ocho llamado Espacio-Tiempo.

La obra maestra de Einstein es la Teoría General de laRelatividad que también veremos en el capítulo ocho en detalle.Cuando pensaba sobre el funcionamiento del universo, Einsteindecía que: “Aquellos pensamientos no venían en una formulación ver-bal....Rara vez pienso en palabras. El pensamiento llega y solo despuéspuedo intentar expresarlo en palabras.”

Einstein, desde antes de la Segunda Guerra Mundial, se esta-bleció en Estados Unidos y hasta el fin de sus días en 1955 bus-caba una teoría unificada de los campos que conectara a la gravi-tación con el electromagnetismo. Einstein logró modificar total-mente la física del espacio, del tiempo, de la energía y la masa ynos permitió comprender los misterios más profundos de la cos-mología del universo. “A lo largo de su vida trató de comprender la realidad con la mente más que conlos sentidos, pero nunca logró unificar todos los campos del conocimiento científico”, como veremos enel capítulo nueve sobre la Simetría. (Hawking, Einstein Pag. 1021-1025)El pensamiento sistémico y complejo del siglo XXI

Los sistemas complejos desafían la capacidad de la mente humana ya que no pueden serexactamente definidos. Un conjunto de reglas sencillas puede producir sistemas extremadamen-te complejos, como en el caso del juego de ajedrez. No se puede, por ejemplo, determinar cuáles la mejor apertura, existen miles de variantes posibles lo que es demasiado complejo para lacomprensión e inteligencia humana.

Son sistemas que no pueden ser definidos ni modelados fácilmente. Para poder enten-der, aunque sea parcialmente, la complejidad de estos sistemas, tenemos que establecer lasbases filosóficas que tienen que ver con lo que se conoce como pensamiento sistémico o pen-samiento complejo. Los sistemas son conjuntos de elementos interdependientes, en unentorno con límites bien definidos, que generalmente denotan una gran complejidad altratar de entender su funcionamiento.

En el siglo XX se inició el pensamiento sistémico con los trabajos del biólogo austriaco VonBertalanffy, quien emigró a Estados Unidos, y del profesor ruso Bogdanov además de otros pen-sadores en los años treinta. Bertalanffy escribió su obra maestra llamada la Teoría General deSistemas, que permitió definir el ámbito general de lo que son los sistemas en toda su amplitud,especialmente los sistemas abiertos como los seres vivos, en que se realiza un intercambio demateria y energía entre el sistema y su entorno. Bogdanov escribió su obra denominadaTektología, es decir, la ciencia de las estructuras. Pero los jerarcas del partido comunista consi-deraron que esta obra no era del agrado de la ideología comunista y no le permitieron difundirla.Por ello, dicha obra pasó desapercibida, hasta que algunas copias pasaron a Occidente.

“Lo que caracteriza a los sistemas complejos del universo es el imperativo de la interdependencia, es decir,el hecho de que las distintas variables que representan a los elementos del sistema se hallan interconectadas demanera no-lineal,” cada una con muchas otras, en relaciones muy complejas. Uno de los mejoresejemplos de un sistema en alto grado complejo es el cerebro humano, que está compuesto de cercade cien billones de neuronas, que se hallan interconectadas cada una de ellas con otras mil o diezmil.

Tratar de entender estas complejidades ha sido uno de los mayores retos para la humanidad.Por esto hemos recurrido a explicaciones de tipo espiritual-religioso, o a las simplificaciones

Einstein• “Mediante la lectura de los libroscientíficos populares pronto llegué ala conclusión de que gran parte delo que relataban las historias de laBiblia no podían ser ciertas”

• “La consecuencia fue mi fanatis-mo total y excesivo por el pensa-miento libre, combinado con la im-presión de que el Estado engañabaintencionalmente a la juventud di-ciéndole mentiras”

• “Fue una impresión abrumadora, apartir de dicha experiencia comencéa desconfiar de todo tipo de autori-dad, se formó en mí una actitud es-céptica respecto de las conviccionesvigentes en todos los medios socia-les”

• “Esta actitud no me abandonónunca, pero después, cuando com-prendí mejor las conexiones causa-les, perdió su intensidad original”.

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filosófico-científicas sugeridas después del Renacimiento por las mentes geniales de Leonardo,Galileo, Bacon, Newton, Descartes, Locke, Hume, Kant y otros notables pensadores.

Para que las simplificaciones funcionen se requiere de un método adecuado, al principio seutilizó el método cartesiano, luego la técnica de los modelos dinámicos, más adelante la auto-organización sistémica desarrollada por Heins von Foerster y la cibernética de Norbert Wiener.Estas son las formulaciones más importantes del enfoque sistémico.

Las revoluciones científicas y tecnológicas A partir de 1700 y en menos de 50 años se consolidó la tecnología. “El gran mecanismo de este

dramático cambio de habilidades a la tecnología fue la Enciclopedia de Diderot y d’Alambert, publicada en 1751”.En esta obra famosa se recopiló, en forma organizada y sistemática, el conocimiento de todos losoficios, de modo tal que el aprendiz pudiera llegar a ser tecnólogo. La tesis de la enciclopedia eraque en el mundo material los resultados útiles, herramientas, procesos y productos son obtenidospor aplicación sistemática e intencional del conocimiento. Fue este cambio en el significado delconocimiento lo que hizo inevitable la introducción del capitalismo moderno.

“La Revolución Industrial trae una transición de una economía agrícola tradicional hacia una economíacaracterizada por procesos de producción mecanizados para fabricar bienes a gran escala.” El proceso decapitalización se produce en distintas épocas dependiendo de cada país. Algunos autores parareferirse al desarrollo capitalista en el último tercio del siglo XX, hablan de la segunda revolu-ción industrial, con nuevas organizaciones empresariales, nuevas fuentes energéticas y nuevossistemas de financiación,

Cada desarrollo industrial tiene características distintas en función del país y la época. Alprincipio, la industria británica no tenía competidores; cuando se industrializaron otros paísestuvieron que enfrentarse a la ventaja acumulada por Gran Bretaña, pero también pudieron apro-vecharse de su experiencia. En cada caso el éxito del proceso dependía del desarrollo de nue-vos métodos de producción, pero también de la modificación de las técnicas utilizadas paraadaptarlas a las condiciones imperantes en cada país y de la propia legislación vigente, que aveces iba en desmedro de ciertos sectores sociales.

“La Revolución Industrial produjo, al principio, una reducción del poder adquisitivo de los trabajadores yuna pérdida de calidad en su nivel de vida. Más tarde, sin embargo, se tradujo en un aumento de la calidad devida de toda la población del país industrializado.” El desarrollo de la informática, de las computadorasy de las redes de interconexión representa un segundo renacimiento. “Se puede afirmar que las revo-luciones científicas nacen con la libertad de la imaginación y la creatividad humana, ya que solamente en aque-llos lugares en que existía la libertad y la democracia, es decir, el respeto por el derecho de los individuos, se inven-taron estas revoluciones.”

La ciencia modernaDice John Gribbin en su libro Introducción a la Ciencia: “que la forma científica de ver el

mundo tiene dos características:” primero, que todo este asunto se desarrolló en tan solo cuatrocien-tos años; y segundo, que todo esto lo puede comprender una mente humana. “La razón por la queel universo es comprensible para las mentes humanas es que está gobernado por un pequeño conjunto de reglassencillas.” La física, la más fundamental de todas las ciencias, investiga estas reglas sencillas quegobiernan el universo y a las partículas elementales que conforman la materia que hay en él.Además, el método científico proporciona los modelos utilizados en las otras ciencias para desa-rrollar sus propios conceptos del mundo.

Dice Gribbin que para un físico, “un modelo es una combinación de una imagen mental del aspectoque puede tener un ente fundamental y de un conjunto de fórmulas matemáticas que describen su comporta-miento”.

Para buscar una nueva ley seguimos un proceso que tiene varias etapas: primero, se haceuna suposición o hipótesis. Luego, se determinan las posibles consecuencias de dicha suposición,para determinar qué implican y si lo que hemos supuesto es correcto. A continuación, compara-mos los resultados del cálculo con lo que se produce en la naturaleza, mediante un experimento,es decir, comparamos directamente las observaciones con los resultados previstos matemática-mente para ver si coinciden. Si no concuerda con el experimento, entonces es falsa la hipótesis.

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Capítulo 1

“Esta metodología tan sencilla es la clave del método científico.” Noimporta lo maravilloso que nos parezca aquello que hemos supuesto.Tampoco importa lo ingeniosos que somos, ni quién realizó la supo-sición, ni cómo se llama el que la formuló. “Si no concuerda con el expe-rimento, es falsa, y si no se pueden hacer pruebas experimentales, entonces noes ciencia, es filosofía.”

En la ciencia, todo consiste en modelos y predicciones, en hallarla manera de conseguir crear dentro de nuestras mentes una imagende cómo funciona el universo y en encontrar el modo de efectuar cál-culos que predigan lo que sucederá en determinadas circunstancias.En el siglo VI antes de Cristo los griegos desarrollaron una ideagenial: que el cosmos se puede entender sin recurrir a la mitolo-gía y a los dioses del Olimpo, porque presenta regularidades quepermiten revelar sus secretos. La naturaleza no es totalmenteimpredecible, hay reglas a las cuales tiene que obedecer necesaria-mente.

Ervin Laszlo, en su libro La Gran Bifurcación, afirma que: “una especie inteligente no sólo puedereproducir y mejorar su medio ambiente, sino también degradarlo y amenazar su propia supervivencia. Nuestrasalternativas en el mundo real no son extremas. No tenemos por qué elegir entre la catástrofe y la inmovilidad,sino entre diversas clases de evolución. Debemos cambiar la evolución de nuestras sociedades del modo reactivoal proactivo, es decir, prevenir lo que puede suceder y estar preparados, no solamente reaccionar a los incendiosque se producen por nuestra inexperiencia de vivir en un mundo tan complejo.”

¿QUÉ ES LA CIENCIA?Para mí, la ciencia es primordialmente la investigación sobre nuestro lugar en el univer-

so, el lugar que ocupan los seres humanos en un cosmos que se extiende desde las más dimi-nutas partículas subatómicas hasta las extensiones más grandes en el espacio y el tiempo. Sinla inteligencia del cerebro humano no sería posible entender nada de lo que nos rodea. No existimosde manera aislada, por lo que la ciencia es una actividad que nos permite tratar de entender las inte-rrelaciones con los otros seres vivos y con el cosmos.

La ciencia se origina con la lógica y la preocupación por los asuntos de la vida diaria. Lageometría se originó en la necesidad de medir y levantar planos de las propiedades, especialmenteaquellas de los egipcios que quedaban a orillas del río Nilo. Como este río se inunda cada año loslímites desaparecían con las inundaciones y los propietarios tenían la necesidad de medir inme-diatamente sus tierras para establecer los linderos.

La mecánica se originó en la necesidad de crear y construir máquinas para las construccio-nes y la guerra. Pero fue la necesidad de dar explicaciones a los distintos fenómenos de la natu-raleza lo que dio origen al método científico. De modo que podemos afirmar que: “la ciencia esel proceso de adquirir conocimientos confiables, pero no infalibles del cosmos, incluyendo las explicacionesnecesarias de los fenómenos de la naturaleza”.

¿Qué es el conocimiento? Se dice que conocimiento es aquello que se adquiere al conocer;conocer es tener cognición. La cognición es una condición de la conciencia, y conciencia es tenerconocimiento de algo; de modo que volvemos al comienzo de nuestra definición. Esto se llamauna tautología, es decir, explicar algo con lo mismo que se pretende definir.

Mario Bunge, físico y filósofo argentino, caracteriza a la ciencia como “un campo del cono-cimiento, es decir, un sector de la actividad humana que pretende adquirir, difundir y utilizar el conocimiento decientos de campos de la cultura moderna”. Bunge dice que: “hay dos grandes clases de conocimiento: aquelde las creencias y de aquellas cosas que no pueden ser observadas, como la religión y las ideas políticas. En laotra clase, se encuentran aquellos campos que tienen que ver con las investigaciones y observaciones del mundoreal.”

Él divide a la ciencia en dos tipos, la ciencia formal que trata sobre las ideas, y la cien-cia fáctica que trata sobre los asuntos materiales. La formal no procura llegar al conocimien-

El Mundo del Siglo XXI

• En el mundo contemporáneo esindispensable enseñar a pensarcríticamente

• Hay que aprender a entender yencontrar los problemas verdade-ros

• Hay que formular las preguntasadecuadas

• En un mundo de gran compleji-dad, incertidumbres y paradojashay que aplicar el pensamientosistémico.

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to objetivo, como es el caso de la lógica formal y las matemáticas puras. Este tipo de ciencia pre-tende descubrir relaciones racionales y verificables entre entes abstractos que son producto de lamente humana. La ciencia fáctica, en cambio, busca establecer relaciones objetivas de la realidad,de los fenómenos que se producen en la naturaleza y el universo.

¿Qué requisitos debe cumplir la ciencia?El requisito fundamental de la ciencia, es que todos los conocimientos científicos deben

ser verificables, es decir, que deben ser contrastados con la experiencia, con experimentoscontrolados con los que se puede establecer la validez de los conocimientos. Además, la cienciadebe tener los siguientes requisitos para desarrollarse fuerte y sana, según Bunge:

“Primero. La ciencia trata de asuntos materiales, es decir, se fundamenta en que todos los objetos del uni-verso físico están hechos de materia y se ajustan a ciertas leyes vigentes en todo el cosmos. Segundo. La ciencia debe ser realista, es decir, asume que el mundo existe independientemente de las mentesque lo estudian. Esto significa que nuestra percepción de la realidad es sin duda limitada, pero esto no basta paraque podamos, por distintos medios y procedimientos, llegar a conocer la realidad del Universo y sus compo-nentes.Tercero. La ciencia es racional, es decir, considera que nuestras ideas tienen que ser internamente consisten-tes y coherentes entre ellas8 para que pueda haber buena ciencia. No pueden existir contradicciones y false-dades entre las distintas teorías y leyes científicas.Cuarto. La ciencia es empírica, esto significa que todas las proposiciones científicas deben ser falseables yverificables. Falseable significa que se puede establecer una predicción que se pueda probarque es falsa; es decir, que al verificar la falsedad por ende se prueba que la hipótesis es ver-dadera. En la realidad y por medio de experimentos debidamente preparados, hay que veri-ficar todas las aseveraciones y predicciones de lasleyes y teorías.Quinto. La ciencia es sistémica, esto significa que todaslas proposiciones, hipótesis, teorías y datos de la cienciadeben constituir sistemas integrados”. No pueden estardesperdigados sin orden y coherencia. Todo elandamiaje de la ciencia está interconectado for-mando una trama de sistemas interdependientes.Este es uno de los conceptos más importantes yen este texto lo vamos a resaltar continuamente,estableciendo las relaciones y conexiones entredistintos tipos de teorías y conceptos científicos.

Características de la cienciaBunge establece quince características que deben

cumplir todas las teorías y leyes científicas, que son lassiguientes:

1. “La ciencia es empírica, esto significa que trata sobre hechos reales, sin considerar asuntos de valoremocional, sentimental o de cualquier otro carácter no fáctico. La base de la ciencia es la experimenta-ción, es decir, la prueba práctica y la determinación real y cuantificable de los resultados de las expe-riencias fácticas. Sin este mecanismo de verificación, la ciencia no podría haber llegado al grado de desa-rrollo que tiene actualmente.2. El conocimiento científico es trascendental, esto quiere decir que no se limita solamente a los hechos obser-vados, sino que va más allá de las apariencias, seleccionando solamente aquello que es relevante, al racionali-zar las experiencias y no limitarse a describir los hechos.3. La ciencia es analítica, es decir, que se descomponen los asuntos complejos para analizarlos, logrando de estamanera primero respuestas parciales. A medida que avanzan las investigaciones científicas, se logra llegar a genera-lizaciones cada vez mayores, que permiten examinar las interacciones entre las partes y luego entender elfuncionamiento del todo.

Figura No. 1 - 10 Mario Bunge.Fuente: http://www.fcen.uba.ar/prensa/graficos/Mario_Bunge.jpg

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Capítulo 1

4. La ciencia es especializada, que es una consecuencia del enfoque analítico, ya que para entender cada ramade la ciencia se requiere de conocimientos especializados; esto no significa que en la ciencia no se requiera elpensamiento holístico e interdisciplinario, al contrario, se requiere de generalistas especializados que puedanrealizar las conexiones entre distintas ramas del saber científico.5. Los conocimientos científicos deben ser claros y precisos. Al formular los problemas de una maneraclara y precisa y definir sus conceptos de manera implícita, la ciencia evoluciona y se mantiene como unode los instrumentos más importantes de la cultura human. Por medio del uso de un lenguaje simbólico ymatemático, procura medir exactamente y cuantificar los fenómenos naturales, lo que permite el desarro-llo de la ciencia.6. El conocimiento científico es comunicable, no es inefable. Cualquiera que tenga la formación necesariapuede entender las comunicaciones de la ciencia. Estas comunicaciones se realizan por medio de publica-ciones, tesis, monografías, investigaciones, revistas e Internet. La comunicación es una condición indispen-sable para mantener la precisión y la verificación de los datos empíricos y de las leyes de la ciencia.7. El conocimiento científico es verificable, esto significa que toda teoría o hipótesis debe ser puesta a pruebay si fracasan en la práctica son desechadas o modificadas. Esta es la esencia del método científico; de otra mane-ra el conocimiento no puede ser objetivo y se podría caer en las seudociencias y las ideologías que tanto dañonos hacen.8. La investigación científica es metódica, es decir tiene un plan que se fundamenta en conocimientos y expe-riencias anteriores. Este método no produce resultados infalibles, sino conclusiones que son mejorables en lamayor parte de los casos. El método científico es una herramienta muy versátil pero al mismo tiempo indispen-sable para que la estructura de la ciencia se mantenga y mejore con la investigación.9. La ciencia es sistémica, es decir, está formada de ideas, principios, leyes, hipótesis y conceptos interconec-tados coherentemente entre sí. El carácter matemático del conocimiento científico es lo que lo hace ordenado,sistémico, interconectado y racional; es un conjunto orgánico que crece de manera racional en unión con losconocimientos anteriores, modificándolos y mejorándolos cuando es necesario.10. El conocimiento científico es universal, pues permite establecer leyes que tienen una aplicación general yuniversal. Al buscar las cualidades esenciales y las relaciones constantes, se descubre la generalidad de los enun-ciados científicos. Esta generalidad y universalidad ha permitido a la humanidad salir de las fronteras de laTierra y explorar el cosmos hasta el comienzo mismo del espacio y del tiem-po.11. El conocimiento científico es legal al formular leyes de la naturaleza yde las sociedades. Estas leyes tienen una estructura jerárquica que permiteordenar a todas las ramas de la ciencia, formando un edificio conceptual, nomonolítico, sino perfectible. Este edificio crece a una velocidad realmentegrande desde el siglo XX. Se afirma que los conocimientos científicos seduplican cada diez o quince años.12. La ciencia es explicativa, ya que intenta explicar los hechos y fenó-menos de la naturaleza y del cosmos; no son suficientes las descripciones,sino que deben ir acompañadas de explicaciones que aclaran el por quéocurren las cosas, cuáles son las causas y los efectos de las mismas. Esta cualidad es la que la diferenciatotalmente de las creencias y de las ideologías, en donde no hay otro mecanismo sino la fe y los dictados deciertos grupos de poder.13. La ciencia es predictiva, es decir, va más allá de la experiencia y permite explicar el pasado y visualizar elfuturo. Estas predicciones son las que permiten poner a prueba las hipótesis, solamente cuando están funda-mentadas en leyes anteriores y experiencias verificables. Esta capacidad es la que hace de la ciencia un instru-mento increíblemente importante para el desarrollo de la humanidad y de las civilizaciones.14. La ciencia es abierta, ya que no reconoce límites al desarrollo del conocimiento; esto significa que todateoría puede y debe ser refutada por cualquier persona que tenga los conocimientos y pruebas necesarias,para de esta manera corregir errores. Esta apertura le da transparencia a la ciencia, deja de ser un conoci-miento de unos pocos iniciados, y se demuestra como parte de nuestras adquisiciones cognitivas más impor-tantes.15. La ciencia es útil, ya que permite desarrollar una serie de instrumentos tecnológicos que sirven tanto para

Requisitos de la ciencia:

• La ciencia trata de asuntosmateriales

• La ciencia debe ser realista

• La ciencia es racional

• La ciencia es empírica

• La ciencia es sistémica

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beneficiarnos, como para hacernos daño. Esta utilidad de la ciencia se desprendede su objetividad, de modo que podemos afirmar que en general, pero no siempre,la tecnología es ciencia aplicada. Hay muchos casos en que las técnicas se descu-brieron antes de conocer los principios científicos en los que se fundamentaban.Hay otros casos en que los descubrimientos científicos se conocieron decenas ocentenas de años antes de que se produzca alguna aplicación tecnológica útil”. Acontinuación vamos a ver qué es la técnica y la tecnología. (Bunge,Pag. 21-48, 2001)

¿Qué es la tecnología?Es muy difícil definir debidamente a la tecnología. Para Marx la tecnología era un meca-

nismo de expansión del capitalismo; para muchos marxistas no hay ninguna diferencia entreciencia y tecnología. El conocido filósofo español Ortega y Gasset fue uno de los primeros endistinguir las diferencias entre ciencia y tecnología, al considerar que: “la tecnología es un estadiodel conocimiento que utiliza los principios científicos para desarrollar instrumentos, artefactos y herramientaspara usos prácticos y para todo tipo de procesos, tanto de investigación como de producción industrial.”

Se puede decir que la tecnología se ocupa del diseño y construcción de todo tipo deherramientas, máquinas, operaciones y mantenimiento de todos estos artefactos. La tec-nología se refiere a estos artefactos, pero también al entrenamiento, crianza y labranza de latierra, cultivo de plantas, manejo y reproducción de animales, descubrimiento de nuevas dro-gas y medicinas, nuevas prácticas para diagnóstico y cura de enfermedades, manufactura yproducción de todo tipo de construcciones, desde edificios y puentes, a los más sofisticadossistemas de armas y comunicaciones satelitales.

El sistema de la técnica y la tecnología se caracteriza por una constante transferencia deconocimientos entre la ciencia y la tecnología y entre las diferentes tecnologías existen-tes, incluyendo a los sistemas económicos, sociales y naturales. La tecnología modernatiene un desarrollo enorme que no se detiene, al contrario, cada vez hay más artefactosde todo tipo y uso, útiles o inútiles, que llenan los almacenes, casas, oficinas y socieda-des de nuestro planeta.

EL MÉTODO CIENTÍFICOLos elementos de observación, formulación de hipótesis, predicción, falsación y

comprobación conforman el método científico. El método científico se puede ilustrar comoun ciclo infinito de observaciones y medidas para obtener datos, identificar patrones y regu-laridades en estas observaciones y medidas, formular hipótesis, hacer falsaciones y predic-ciones. , El método científico se basa en los siguientes preceptos según Bunge:

1. “Plantear el problema correcto. Se inicia con el reconocimiento de los hechos, al observar, examinar,clasificar y ordenar los asuntos más importantes. Permite descubrir los vacíos o incoherencias en el saberque deben ser rectificados. Hay que formular el problema por medio de preguntas precisas y significativas. 2. Construcción de un modelo teórico. Para esto hay que primero seleccionar los elementos más signifi-cativos, los que son pertinentes al problema en cuestión. En esta estapa hay que elaborar las hipótesis prin-cipales y auxiliares y los nexos que deben existir entre ellas. Cuando sea posible hay que traducir las hipó-tesis en formulaciones mesurables, cuantificables y matemáticas.3. Deducción de las consecuencias particulares. Parte de la búsqueda de fundamentos lógicos que permi-tan deducir ciertas conclusiones que puedan ser verificadas. También es necesario realizar predicciones quepermitan obtener los soportes empíricos del modelo escogido.4. Prueba de las hipótesis. Hay que planificar la forma en que se pueden poner a prueba las predicciones,se deben diseñar las observaciones y mediciones a realizarse. Por último ejecutar las pruebas y recolectarlos datos, que deben ser clasificados y evaluados, para que puedan ser interpretados por medio del mode-lo teórico escogido.

Características de la Ciencia• La ciencia es empírica, trascen-dental, analítica, especializada,clara y precisa

• Es comunicable, verificable,metódica, sistémica, general, legal

• Es explicativa, predictiva, abier-ta, y útil.

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Capítulo 1

5. Elaboración de la teoría. Hay que comparar los resultados con las predicciones realizadas, para deter-minar si fueron confirmadas o no y con qué rango de error. Eventualmente será necesario hacer reajustesal modelo seleccionado y sugerencias sobre cómo realizar nuevos procedimientos empíricos para determi-nar las confirmaciones de la teoría propuesta”.

El sociólogo norteamericano R. K. Merton, propuso la tesis de que la “investigación cientí-fica es diferente a todas las otras actividades humanas. Se caracteriza por la coherencia lógica que debemantener todo el tiempo y depende de la confirmación y verificación empírica, pero además, tiene compo-nentes de tipo institucional ya que es universal, compartida, desinteresada y escéptica” (Bunge 51-92, 2001).

LAS SEUDO-CIENCIAS La seudociencia y la seudotecnología no son basuras reciclables, sino virus intelectuales quepueden atacar a cualquiera, lego o especialista, al punto de enfermar a una cultura íntegra.

MARIO BUNGE

Las seudociencias son creencias y formas de especulación muy peligrosas que pretenden tener uncierto carácter científico, pero en realidad son verdaderas enfermedades de la cultura, como lo describemuy bien Bunge en su libro Seudociencia e Ideología. Algunos ejemplos de estas seudociencias son: elcreacionismo, la percepción extra-sensorial, los objetos voladores no identificados, la astrología, el poder del cristal, lareencarnación, y otra serie de creencias que podemos encontrar en la literatura, y que no las caracteriza elmétodo científico que hemos descrito en los párrafos anteriores. Ninguno de estos fenómenos y espe-culaciones, que colectivamente se les denomina seudociencias, pueden ser probadas en el sentido cien-tífico que hasta ahora hemos utilizado.

Bunge comenta que: “El hombre, supremo creador, es también el máximo falsificador. Puede falsificarlo casitodo, desde billetes de banco hasta la amistad….Incluso puede falsificar la ciencia y la tecnología”. Una de las falsi-ficaciones más exitosas y refinadas desde el punto de vista económico y social son las seudociencias.La importancia práctica y económica de estos procesos es realmente enorme a nivel mundial, por ejem-plo, es indispensable saber si la quiropráctica, la homeopatía y la psicoterapia freudiana pueden pasarlos filtros de la ciencia o son simple charlatanería.

Debemos saber si la parapsicología, la clarividencia, la telepatía, la psicoquinesia y la precogniciónson verdaderas ramas científicas o no. Hay que determinar si la biología creacionista, la psicología delalma, la curación por la fe y el milagrismo son verdades que se pueden probar científicamente. Hay quedeterminar si la politología, las ideologías políticas, la planeación social, las predicciones de la econo-mía monetarista y la futurología realmente funcionan y son científicamente verificables en sus predic-ciones. (Bunge, Pag. 63-79, 1989)

Seudociencias de la menteLa investigación científica de los fenómenos mentales empieza a desarrollarse a fines del siglo XIX,

pero recién a fines del siglo XX es que se logran hacer avances significativos en lo que se conoce comolas neurociencias, o también las ciencias cognitivas.

Las neurociencias han tenido un desarrollo muy lento debido a varias razones: Primero: el grado de dificultad que representa trabajar e investigar el funcionamiento del cere-

bro con sus billones de neuronas y trillones de interconexiones. Este estudio se veía muy complica-do porque hay que entender procesos que se desarrollan dentro del cerebro y hasta hace poco no eraposible observar detenidamente estos efectos sin abrir el cráneo.

Segundo: estos procesos mentales, también conocidos como espirituales o del alma, eran el domi-nio de las religiones y de la teología, de modo que era muy peligroso aventurarse en estos campos sinque se produzcan represalias.

Tercero: si a esto le sumamos que resulta muy difícil realizar conjeturas o hipótesis sobre fenóme-nos que nos atañen a nosotros mismos, entonces se puede entender las dificultades para investigar estostemas de una manera científica y adecuada.

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MentalismoEntre las seudociencias mentales debemos mencionar en primer

lugar al mentalismo, que es el intento de explicar las sensaciones, lapercepción, la memoria y el aprendizaje por medio del espíritu ola mente y que no tienen nada que ver con el cerebro. El mentalis-mo afirma que el alma es una sustancia inmaterial y por tanto no tienenada que ver con el cerebro y sus neuronas, de modo que la mente nopuede ser estudiada por la ciencia. Esta es la idea propuesta porDescartes a mediados del siglo XVII, pero continuada en el siglo XXpor K. Popper y J.C. Eccles.

La otra variante del mentalismo dice que la mente no es una sus-tancia sino organización, estructura, información y el conjunto deprogramas como un software. La mente no tiene nada o muy pocoque ver con el sustrato material del cerebro y todo el complejo siste-ma nervioso que tenemos todos los seres humanos. Los mentalistas másmodernos consideran que la psicología no tiene nada que ver con la neu-rociencia y que los procesos mentales son las manifestaciones de estruc-turas mentales subyacentes.

Las razones por las cuales el mentalismo es una seudociencia son:admite la existencia de fenómenos mentales que no tienen relacióncon la materia del cerebro; no se apoya para sus estudios en ningu-na ciencia reconocida, ni pretende usar leyes generales que permitanaclarar estos fenómenos espirituales. El mentalismo está constituidomayormente por especulaciones, metáforas y dogmas sin ninguna baseexperimental de comprobación.

ParapsicologíaSe refiere al estudio de las manifestaciones y actividades de espí-

ritus desencarnados, tales como la telepatía o la transmisión del pen-samiento. La clarividencia o la posibilidad de observar fenómenos quetienen lugar a mucha distancia de donde está el sujeto. La precognicióno la habilidad que supuestamente tienen algunas personas de sentir osaber qué es lo que va a ocurrir en el futuro. La telequinesis, o la facul-tad que supuestamente tiene la mente de algunos iniciados para moverobjetos a distancia sin tocarlos.

La reencarnación es supuestamente la posibilidad de que los seresvivos puedan revivir en otra forma como otro ser vivo en el futuro; y porúltimo, la comunicación con los muertos.

Hay tres modalidades que se practican para realizar estas activida-des: la primera es por medio de las sesiones de espiritismo, la segundapor medio de un médium, y la tercera por medio de la investigaciónparapsicológica. La parapsicología es la única que investiga, de modoque durante cierto tiempo tuvo algún respaldo científico. Dice Bungeque: “si se comprueba la forma en que se realizan estas actividades parapsicológi-

cas, llegamos a la conclusión de que solamente son seudociencias.”Las pruebas: trata con entes inmateriales como los espíritus, entes que jamás han podido verificar-

se. No se interesan en el órgano de la mente que es el cerebro y además, no reconocen las violaciones alas leyes científicas como al concepto de causalidad y antecedencia al afirmar que es posible sentir fenó-menos que aún no suceden. Además, asumen que no es necesaria la percepción para adquirir conoci-mientos de la realidad, ni se basan en las ciencias para deducir sus enunciados y axiomas.

EL MÉTODO CIENTÍFICO

• Los elementos de observación,formulación de hipótesis, predic-ción, y comprobación conforman elmétodo científico

• El método científico se puedeilustrar como un ciclo infinito deobservaciones y medidas

• Para obtener datos, identificarpatrones y regularidades, medidas,formular hipótesis, hacer prediccio-nes y verificar o modificar las hipó-tesis

• Plantear el problema correcto.Esto se inicia con el reconocimientode los hechos, al observar, exami-nar, clasificar y ordenar los asuntosmás importantes

• Construcción de un modelo teóri-co. Hay que primero seleccionar loselementos más significativos

• Deducción de las consecuenciasparticulares. Esto parte de la bús-queda de fundamentos lógicos quepermitan deducir ciertas conclusio-nes que puedan ser verificadas

• Prueba de las hipótesis. Hay que planificar la forma en quese puede poner a prueba las predic-ciones, hay que diseñar las observa-ciones y mediciones que deben rea-lizarse

• Elaboración de la teoría. Hay quecomparar los resultados con laspredicciones realizadas, para deter-minar si fueron confirmadas o no yen que medida o con que rango de error.

La Investigación Científica• R. K. Merton dice que la investi-gación científica es diferente a to-das las otras actividades humanas

• Se caracteriza por la coherencialógica que debe mantener todo eltiempo

• Depende de la confirmación y ve-rificación experimental.

• Tiene componentes de tipo insti-tucional ya que es universal, com-partida, desinteresada y escéptica.

RREESSUUMMEENN

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Capítulo 1

PsicoanálisisTuvo su auge a fines del siglo XIX y principios del siglo XX, y

se consideraba que era uno de los avances más extraordinarios de laciencia, similar a los realizados por Galileo, Newton o Darwin. Peroal realizar un estudio detenido de estas actividades, especialmentelas realizadas por Sigmund Freud, se llega a la conclusión de que pri-mero no fueron totalmente originales, por ejemplo, el concepto delsubconsciente ya se había formulado mucho antes de Freud.

Estas actividades “podemos clasificarlas como seudociencias ya queFreud y otros postularon que una serie de entes espirituales o imaginarioscomo el yo, el super yo y el ello, eran capaces de actuar sobre el cuerpo ani-mándole y a veces enfermándole.” Este animismo dogmático e inge-nuo es incompatible con las ciencias, ya que no usa las estadís-ticas en la mayor parte de los casos y no se basa en los descu-brimientos de las otras ciencias. “Ninguna de las conjeturas del psi-coanálisis han sido confirmadas científicamente y en la mayor parte de lasuniversidades importantes del mundo ya no es una cátedra universitaria.”(Bunge, Pag. 80-96, 1989)

Seudociencia económicaDice Bernard Guerrien, economista de la Sorbona que: “la cien-

cia de la economía está muy lejos de ser exacta, que el término ciencia econó-mica se usa para designar una serie de teorías que coexisten por largo tiempo yque si bien tratan de los mismos fenómenos, producen resultados diametral-mente opuestos.” Existen dos razones fundamentales para estas diver-gencias, la primera es que la economía trata de asuntos relaciona-dos con los seres humanos, en que las interrelaciones varían cons-tantemente y no se pueden reducir a unos pocos parámetros por lacomplejidad que tienen.

La segunda razón es que los investigadores económicos no sonagentes neutrales sino partes interesadas de las sociedades que estu-dian; siempre tienen una opinión y realizan predicciones de lo quecreen que es importante y de lo que se debe hacer para mejorar lassituaciones que analizan. “Las predicciones económicas se basan en identi-ficar y definir las variables relevantes al problema económico en consideración. Las variables son el elementoprincipal de las predicciones económicas y aquí es donde comienzan los problemas del método económico.” Delas decenas o centenas de variables relevantes, hay que escoger unas pocas, dos o tres, y comen-zar el análisis con estas pocas, asumiendo que el resto no tendrá mayor influencia. Esta enormesimplificación automáticamente le resta validez al proceso depredicción económica.

Se establecen supuestos, bajo los cuales la teoría se puedeaplicar; una de las categorías principales de estos supuestos esque en igualdad de las restantes condiciones (CeterisParibus), todo el resto permanece constante, excepto lasvariables preseleccionadas.

El problema del método económico se complica irremedia-blemente al suponer que todo queda constante, es decir, en unequilibrio absoluto, excepto el par de variables seleccionadaspara el análisis.

No hay ni siquiera una mención al hecho de que la mayor partede los fenómenos y procesos de la realidad son no lineales, esdecir, que una causa produce muchos efectos, y que estos efectos

LAS PSEUDOCIENCIAS

“La seudociencia y la seudotecnologíano son basuras reciclables sino virusintelectuales que pueden atacar acualquier lego o especialista, al puntode enfermar a una cultura íntegra”

MARIO BUNGE

• “Las seudociencias son creencias yformas de especulación muy peli-grosas, son verdaderas enfermeda-des de la cultura”

• “Como el creacionismo, la percep-ción extra-sensorial, los objetos vo-ladores no identificados, la astrolo-gía”

• “El poder del cristal, la reencar-nación, y otras series de creencias”.

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Mentalismo

• Es la percepción, la memoria y elaprendizaje por medio del espírituo la mente y que no tienen nadaque ver con el cerebro

• El mentalismo dice que la menteno es una sustancia sino organiza-ción, estructura e información sincerebro

• Es una seudociencia, ya queadmite la existencia de fenóme-nos mentales que no tienen rela-ción con la materia del cerebro.

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Seudociencia Económica

• Una de las leyes fundamentalesde la economía escolástica es lade la oferta y la demanda, tam-bién llamada ley del mercado

• Adam Smith indicó que sola-mente funciona bien el mercadocuando existe total libertad decomercio y todos tienen la mismainformación relevante

• Al no tener en cuenta la realidadde los fenómenos complejos, laeconomía escolástica que aplicanla mayor parte de economicistases sin duda otra seudociencia.

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se retroalimentan, modificando a la causa. En los complejos sistemas de la realidad

en que vivimos, hay cientos de variables quecambian al mismo tiempo y se retroalimentanunas a otras, es decir, no existe ningún tipo delinealidad y por tanto no se puede predecirracionalmente.

Una de las leyes fundamentales de la eco-nomía escolástica, como la llama Bunge porno tener en cuenta la realidad económica ver-dadera, es la de la oferta y la demanda tambiénllamada ley del mercado. Esta ley fue estable-cida hace mucho tiempo por Adam Smith ydice: “When the quantity of any commodity, which isbrought to market falls short of the effectual demand…A competition will immediately begin among them, andthe market price will rise more or less above the natu-ral price, according as either the greatness of the defi-ciency, or the wealth and wanton luxury of the compe-titors…” (Smith, Pag. 56-65)

Smith tuvo la prolijidad de indicar quesolamente funciona bien el mercado cuando existe total libertad de comercio y todos tienen lamisma información relevante; cosa que no sucede en ningún contexto real. Se hacen supuestosacerca del comportamiento de los individuos al considerar que todos actúan racionalmente y quecada uno persigue sus propios intereses y toma decisiones en consecuencia; este es otro de losaxiomas que no coinciden con la realidad de los procesos naturales.

En los procesos naturales no son solamente unos pocos individuos los que toman lasdecisiones racionales, sino cientos de personas, instituciones, autoridades y gobiernos; demodo que los procesos producen resultados no previsibles. Como se observa en la mayorparte de los casos, las predicciones economicistas no tienen la menor posibilidad de coinci-dir con lo que sucede en la realidad, ya que el mundo complejo es caótico e impredecible.

Al no tener en cuenta la reali-dad de los fenómenos complejos ymostrar un total desdén por lasconsecuencias sociales negativasque pueden tener las políticas yplanes económicos, la economíaescolástica que aplican la mayorparte de economicistas es sin dudaotra seudociencia, pero una muypeligrosa para las sociedades denuestro planeta.

Ya que no investiga directa-mente la realidad, sino que se fun-damenta en estadísticas guberna-mentales que tienen fines políticos,administrativos y no científicos yconstruye modelos matemáticosbasados en hipótesis totalmentesimplificadas como se explicóantes, de modo que los resultadosnunca pueden ser totalmente váli-dos.

Figura No. 1 - 11La economía del hidrógeno.Fuente: http://content.answers.com/main/content/wp/en-commons/thumb/5/5f/400px-Hydrogen.eco-nomy.sys_integration_circle.jpg

Figura No. 1 - 12 Políticos incorruptiblesFuente: http://www.jornada.unam.mx/1999/06/07/cien-feggo.jpg

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Capítulo 1

IdeologíasDice Bunge que: “no hay cultura sin ideologías. Algunas son totales, o

sea, versan sobre todo lo pensable, mientras otras son parciales…se limitan alorden social. Casi todas son incompatibles con la ciencia.” En general, entodas las sociedades modernas existen ideologías que provienen dela imposición estatal o de alguna institución tradicional o de la acep-tación ciudadana.

La esencia de las ideologías es la creencia o la fe, por esto sepuede definir a las ideologías como sistemas de creencias, de decla-raciones de juicios de valor al versar sobre lo que se puede hacer ylo que no se puede y al establecer objetivos que en muchos casos sonirrealizables.

Bunge divide a las ideologías en tres categorías: total, religiosa y sociopolítica. Como el mar-xismo que tiene una cosmovisión global, es decir total. Las religiones en el mundo moderno hanperdido mucho de su poder y visión totalitaria, dejando que los estados se encarguen de los asun-tos mundanos. Las ideologías sociopolíticas como el liberalismo, el fascismo o el socialismo, nonecesariamente rechazan a la ciencia.

Las ideologías fundamentalistas son aquellas que no cambian, que se mantienen inalterablesaferradas a sus visiones por muchos siglos, como por ejemplo ciertas sectas cristianas o islámi-cas que interpretan todo lo que dice la Biblia y el Corán. El liberalismo a ultranza, que tiene aAdam Smith como su profeta y el marxismo dogmático son también fundamentalismos sociopo-líticos, que valoran más la letra muerta que a la gente viva. Estos fundamentalismos son incom-patibles con la ciencia y la tecnología, por tanto caen entre las peores seudociencias.

Ciencia y religiónLa ciencia es diferente de la tecnología, del arte, de las huma-

nidades pero no se contrapone con ellas, al contrario, es un com-plemento indispensable como ya lo dijo el mayor genio de la huma-nidad, Leonardo Da Vinci. Entre ciencia y religión hay una grandiferencia que excluye cualquier posibilidad de acuerdo, porejemplo la ciencia dice que la vida se auto-organizó espontánea-mente mientras que la religión mantiene que hubo un creador detoda la vida. Además los miembros de las iglesias comparten cre-encias y prácticas que no han sido probadas por la ciencia. Mientrasque los miembros de las sociedades científicas mantienen actitudescríticas e investigadoras por medio de experiencias verificables.

“Los conflictos entre ciencia y religión existen desde que nació el pensa-miento racional y crítico, Sócrates y Bruno fueron condenados porque se atrevieron a poner en duda ciertosdogmas religiosos.” Estos conflictos continuarán mientras no se logre desmitificar una serie decreencias que no tienen ningún fundamento racional y real. (Bunge, Pag. 137-144, 1989)

A partir de los movimientos sociales y estudiantiles de 1968, se percibió a la ciencia y la tecno-logía como parte fundamental del orden constituido, y por esto le achacaron todos los males de lasociedad, causados por políticos y empresarios. En especial se acusó a la ciencia de ser la causantede la carrera armamentista, de las armas atómicas, de la degradación ambiental y de la explotacióndel tercer mundo, cosa que no es totalmente cierta.(Bunge, Pag. 151-183, 2001)

Mapas conceptualesEs una técnica usada para la representación gráfica del conocimiento, como una red de con-

ceptos y sus relaciones. Los mapas conceptuales fueron desarrollados por Joseph D. Novak de laUniversidad de Cornell en los años 60, basándose en la teorías de David Ausubel del aprendiza-je significativo. Según Ausubel "el factor más importante en el aprendizaje es lo que el sujeto ya conoce".Este aprendizaje significativo ocurre cuando una persona consciente y explícitamente vinculanuevos conceptos a otros que ya posee. (http://es.wikipedia.org/wiki/Mapa_conceptual ). Esta es

Ideologías

• Dice Bunge que: “no hay culturasin ideologías. Estas pueden ser:total, religiosa y sociopolítica”

• “Algunas son totales, o sea, versansobre todo lo pensable, mientrasotras son parciales…se limitan alorden social”

• “Casi todas son incompatibles conla ciencia.”

RREESSUUMMEENN

Ciencia y Religión

• Entre ciencia y religión hay unagran diferencia que excluye cual-quier posibilidad de acuerdo

• Los conflictos entre ciencia yreligión existen desde que nació elpensamiento racional y crítico

• Estos conflictos continuaránmientras no se logre desmitificaruna serie de creencias que no tie-nen ningún fundamento racionaly real.

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la técnica más adecuada para aprender sobre las ciencias, relacionar los conceptos, ideas, teoríasy leyes entre si con otros conceptos e ideas de la tecbología y de la vida práctica.

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Figura No. 1 - 13 Mapas conceptualesFuente: http://www.infovis.net/imagenes/T1_N141_A4_MapaConcept.png

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Capítulo 1

Bibliografía

AGAZZI EVANDRO La Lógica Simbólica. Editorial Herder, Barcelona. 1986ATKINS PETER. Galileo’s Finger. The Ten Great Ideas of Science. Oxford University Press. 2003 BACON FRANCIS. Essays, Civil and Moral and The New Atlantis. Harvard Classics P.F.Collier and Son Corporation. New York. 1937.BERTALANFFY LUDWIG VON, General Systems Theory: Foundation, Development, Applications. Middlesex, England:

Penguin Books, 1968.BOGDANOV A. Essays in Tektology. Translated by George Gorelik. Seaside, CA: Intersystem Publications, 1980.BRONOWSKI JACOB. The ascent of man, Back Bay Books. Little Brown and Company. 1973.BUNGE MARIO. Seudociencia e Ideología. Alianza Editorial. Madrid. 1989.BUNGE MARIO. La Ciencia. Su Método y su Filosofía. Editorial Sudamericana. Buenos Aires. 2001.COHEN I. BERNARD. Newton’s Discovery of Gravity. Readings from Scientific American. Scientific Genius and Creativity. W.H.

Freeman and Company. New York. 1987.

DARWIN CHARLES. The Origin of Species. HARVARD CLASSICS P.F.Collier and Son Corporation. New York. 1937.DESCARTES RENÉ. Discurso del Método. Meditaciones Metafísicas. Boreal 1998. MadridECHEVERRIA JAVIER Leibniz, Editorial Barcanova, Barcelona, 1981.EINSTEIN ALBERT. Obras Esenciales. Editorial Crítica. Barcelona, 2005GELB MICHAEL. Inteligencia genial. Leonardo da Vinci. Grupo Editorial Norma.1999.GRIBBIN JOHN. Introducción a la Ciencia. Traducción de Mercedes García Gamilla. Editorial Crítica, S.L. Barcelona, 2000GUERRIEN BERNARD. A Science too Human? Economics. La Science en 2004. L’ Enciclopedia Universalis, Traducción al inglés

de E. Benicourt y E. Fullbrook.HAWKING STEPHEN. A Hombros de Gigantes, Crítica, Barcelona, España. 2004.LASZLO ERVIN. La Gran Bifurcación. Crisis y oportunidad: anticipación del nuevo paradigma que está tomando forma.Gedisa

Editorial. Colección límite de la Ciencia. España. 1997.LEIBNIZ GOTTFRIED W. Tres Textos Metafísicos. Grupo Editorial Norma, Santafé de Bogotá, 1992 MILLER JONATHAN, VAN LOON BORIN. Darwin. Era Naciente SRL . Buenos Aires. 2002.RANKIN WILLIAM. Newton. Era Naciente SRL. Buenos Aires. 1995.ROBINSON DAVE, GARRAT CHRIS. Descartes. Era Naciente SRL. Buenos Aires. 2000.SAGAN CARL Y DRUYAN ANN. Sombras de Antepasados Olvidados. EDITORIAL PLANETA. Bogotá. 1993.SCHWARTZ JOSEPH, McGUINESS MICHAEL. Einstein. Era Naciente SRL. Buenos Aires. 2002.SMITH ADAM, Wealth of Nations. HARVARD CLASSICS, 10 P. F. Collier & Son Corporation, New York. 1937.

PREGUNTAS DE REPASO

El Conocimiento Científico a través del tiempo

1. Explica la importancia, para las Ciencias, de los principales factores que incidieronen el surgimiento del Renacimiento.2. Explica los aportes fundamentales de Descartes para el desarrollo de la ciencia.3. Explica los aspectos principales de la contribución de Leonardo Da Vinci para elconocimiento científico.4. ¿En qué consistían esencialmente los siguientes principios planteados por Da Vinci:curiosidad – demostración – sensibilidad?5. Explica los aportes fundamentales de Francis Bacon para el desarrollo de laCiencia.6. Explica los aportes fundamentales de Galileo Galilei para el desarrollo de laCiencia.7. Explica los aportes fundamentales de Isaac Newton para el desarrollo de laCiencia.8. Explica los aportes fundamentales de Charles Darwin para el desarrollo de la Ciencia.9. Explica cómo se desarrolló un criterio escéptico en Albert Einstein.10. Explica la característica esencial de los sistemas complejos del universo.

¿Qué es la Ciencia?

11. ¿Cómo define Mario Bunge a la Ciencia?12. Explica las siguientes características, planteadas por Mario Bunge, que deben cum-

plir las teorías y leyes científicas: empírica – trascendental – especializada.13. Explica las siguientes características, planteadas por Mario Bunge, que debe cum-plir el conocimiento científico: comunicable – verificable – sistemático.14. Explica qué es tecnología.

El Método Científico15.Anota los pasos planteados en el texto, correspondientes al método científico16. ¿Qué es la falsación?

Las Pseudociencias17. ¿En qué consiste la seudociencia denominada mentalismo?18. ¿En qué consiste la seudociencia denominada parapsicología?19. ¿En qué consiste la seudociencia denominada psicoanálisis?20. ¿Por qué consideras que la Economía es una seudociencia?

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PREGUNTAS DE REFLEXION

1. La ciencia en este último siglo ha avanzado a pasosgigantes. La biotecnología, por ejemplo, permite laclonación, producción de plantas o animalesresistentes a enfermedades, etc. ¿Qué consecuenciaspodría traer el uso indiscriminado de estas técnicasen el futuro?

2. Las universidades muchas veces no ofrecen el niveladecuado de estudios, especialmente en camposcomo la ciencia e ingeniería, por lo que constante-mente nuestros países sufren una “exportación dementes”. ¿Cómo nos afecta ésta al desarrollo tec-nológico y científico y cómo se podría solucionareste dilema?

3. La investigación con células madre (células no espe-cializadas que tienen la capacidad de formarcualquier otro tipo de célula del cuerpo) prometegrandes avances para curar enfermedades comoParkinson, Alzheimer, lesiones espinales, y otras¿Debemos continuar con este tipo de investiga-ciones, en las que cambiamos partes de la naturalezahumana?

4. Cuando se realiza investigación, especialmente enmedicina, se usan comúnmente animales como suje-tos experimentales. ¿Qué límites se debe imponer ala experimentación con animales y qué organiza-ciones deben controlar tales actividades?

5. El petróleo es la principal fuente de ingresos de var-ios países. Sin embargo, para su explotación, fre-cuentemente grandes extensiones de bosque tropicaldesaparecen y con ellas un altísimo número deespecies de flora y fauna. ¿Cómo debe el gobiernoactuar en este caso donde se opone la economía conlos recursos naturales, la pobreza económica con lapobreza ecológica?

6. El intercambio de información es la base para eldesarrollo del conocimiento. Sin embargo, elacceso a libros y artículos está limitado por sucosto o distribución. Con herramientas comoInternet, ¿cómo crees que esto puede cambiar?

7. En la actualidad contamos con un sinnúmero de her-ramientas y aparatos que nos permiten realizarexperimentos y mediciones con facilidad. Sinembargo, en la antigüedad ésta era una de las limita-ciones más importantes. ¿Cómo podía un científicoen ese entonces medir la circunferencia de la tierra?

8. Usando lo aprendido en el capítulo 1, distingue entrelos conceptos de ciencia y tecnología.

9. Al planificar o realizar un experimento para probaruna hipótesis, ¿qué cosas debemos considerar?

10. Al considerar a las diferentes seudociencias, ¿quénos permite distinguir entre ciencia y seudociencia?

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Capítulo 2

LOS ORÍGENES 2INTRODUCCIÓN

Frecuentemente nos preguntamos ¿Cuál es el origen del universo? ¿Cuál es el ori-gen del sistema solar? ¿Cuál es el origen de la vida?¿De dónde venimos? y ¿Adónde vamos? Nos admiramos de las maravillas del cielo, pero también nos hacemos

preguntas sobre cómo debió ser antes de que todas estas maravillas estuvieran presentes;hemos buscado respuestas a estas preguntas desde hace muchísimo tiempo. Al admirar lanaturaleza que nos rodea, también nos preguntamos: ¿Cuál es el origen de los seres huma-nos? ¿Por qué somos inteligentes? ¿Habrá otros mundos en donde también haya vidainteligente? Inmediatamente nos asaltan otras dudas y preguntas: ¿Somos los humanos unaccidente de la evolución? o ¿Somos la creación final de un Dios todopoderoso? Hastahace pocos cientos de años, las únicas respuestas a estas inquietudes provenían de las cre-encias, de la fe, de los mitos y en algunos casos de los astrólogos.

Recientemente se han desarrollado una serie de ciencias multidiciplinarias comola astrofísica, la astroquímica, la astrobiología o exobiología, que han permitido la cola-boración de muchos científicos que han descubierto posibles respuestas para todas estas pre-guntas sobre las cuales hablaremos a continuación. Suponemos que esta aventura delCosmos se inició hace aproximadamente unos catorce mil millones de años, empezando conun Gran Pum o Big Bang, en que se produjeron billones de billones de grados de tempera-tura, una energía descomunal que fue la que inició todo el proceso de la conformación yorganización del cosmos. ¿Cómo apareció toda esta descomunal cantidad de energía?Más adelante veremos en el capítulo cuarto sobre la termodinámica que la energía no puedesimplemente aparecer en algún lugar de la nada, que tiene que transformarse de alguna otraforma de energía o de materia. En este caso, como veremos en el capítulo diez sobre cos-mología, “lo más probable es que la cantidad neta de energía al principio era nula, ya que al mismo tiem-po que había una enorme cantidad de energía térmica, también había la misma enorme cantidad de ener-gía negativa gravitatoria.”

Sabemos que descendemos de ciertas bacterias, las que después de billones de años evolucio-naron hacia una especie de primates, siendo el punto final el más interesante de esta historia uni-versal, con la aparición de vida inteligente en los últimos millones de años. Sin embargo, tambiénsomos descendientes de enormes estrellas, muchas veces más grandes que nuestro Sol, llamadassupernovas, que existieron desde hace diez billones de años y que son los hornos en los que se for-man nuestros átomos y los del sistema solar en que habitamos.

Al principio, creíamos que estábamos en el centro del cosmos, pero ahora gracias aCopérnico, Galileo y Kepler, sabemos que esto no es así, “nosotros moramos en un planeta muyordinario en las afueras de una galaxia también bastante modesta”. Pensábamos que éramos el pro-ducto de la creación divina, mejores que todas todas las otras especies de seres vivos quenos rodean, pero Darwin y Wallace nos pusieron ante el modelo correcto, ante el árbol gene-alógico de la evolución animal. “Nuevamente debemos llenarnos de humildad y aceptar que somosapenas los productos recientes de un proceso de auto-organización universal.” A continuación haremosun breve recuento de los orígenes de los principales actores de este proceso, del universo,de la ciencia, de la vida y de los seres humanos.

No se conoce una ciencia si no se conoce su historiaAUGUSTE COMTE

La emergencia de la complejidad

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EL ORIGEN DE LA CIENCIAEl descubrimiento más importante hecho por los científicos,

es la ciencia misma.J. BRONOWSKI

El origen de la ciencia comienza hace muchos miles de años atrás, cuando los sereshumanos empezaron a comunicarse utilizando palabras. Se dice que las primeras comunica-ciones entre los homínidos fueron mediante gestos, sonidos abstractos y especialmente movi-mientos de las manos, además de otras expresiones corporales. Hace aproximadamente treinta ycinco mil años se evolucionó hacia la fase del lenguaje, es decir, los sonidos guturales y gritosdieron paso a sonidos articulados que desembocaron en lo que conocemos como lenguaje. Estefue un paso fundamental en el desarrollo de las civilizaciones y de la ciencia: cuando desarrolla-ron una palabra para cada cosa y actividad empezó el proceso de creación de conceptos e ideas.

Pronto el ser humano se dio cuenta de que era indispensable contar: necesitaban contarsus cosechas, lo que pescaban, lo que necesitaban sembrar y lo que debían separar para losimpuestos, en definitiva los números se convirtieron en piezas indispensables de la vida cotidia-na. Para esto utilizaron los dedos de las manos y de aquí se obtiene la base diez del sistema numé-rico que tenemos ahora.

Luego se desarrolló la aritmética, las operaciones de sumar y restar, que eran necesariaspara todo tipo de actividades, especialmente para todas las transacciones mercantiles que se fue-ron desarrollando. Más tarde fue necesario multiplicar y dividir, para poder distribuir equitativa-mente las cantidades o para abreviar las sumas.

Apareció después la geometría probablemente en Egipto, por la necesidad que tenían deestablecer los linderos de los terrenos al retirarse las aguas del Nilo después de las inundacionesanuales. Según Heródoto, “los agrimensores fueron quienes desarrollaron los primeros elementos de geome-tría”. Otros ejemplos del dominio de la geometría lo podemos encontrar en las pirámides y sus com-plejos laberintos interiores. Los impuestos que cobraban los empleados de los faraones, se determinaban enfunción de la superficie del terreno, por lo que era necesario saber las fórmulas para determinar las superficiesgeométricas. También había que determinar los volúmenes de las cosechas de trigo, ya que se cobraban los impues-tos en granos y éstos estaban apilados formando volúmenes cónicos como pequeñas pirámides. (Gangui Pag. 21)

Para el diseño arquitectónico y la construcción de todo tipo de estructuras, pero especial-mente de las grandes pirámides, era indispensable tener muy buenos conocimientos de la geo-metría, pero también era necesario tener en cuenta la resistencia de los materiales, las fuerzasnecesarias para halar los grandes bloques de piedra y el uso del plano inclinado para reducir lafuerza y el rozamiento para subir semejantes bloques.

Nada de esto hubiera sido posible sin la existencia de un sistema de escritura que permitaasentar todos estos conceptos y fórmulas que se fueron descubriendo paulatinamente. “Cada unade las grandes civilizaciones de la antigüedad desarrolló una forma de escritura que les permitía comunicarse ydescribir lo que tenían que hacer y la forma de hacerlo.” Los egipcios tenían una relación muy especial

con los dioses que habitaban en el firmamento; estos dioses mitoló-gicos fueron parte muy importante de estas sociedades y se les asig-naba una serie de poderes y características que determinaban laforma en que interactuaban con las sociedades. Para todo esto sedesarrolló una clase de culto y de servidores de los dioses, represen-tados en la Tierra por sacerdotes. Además, “necesitaban realizar medi-ciones de ciertos cuerpos celestes para poder navegar y orientarse en los enor-mes desiertos o en el mar. Tenían también que elaborar calendarios para saberen qué épocas era necesario sembrar y cosechar;” con este fin tuvieron queestablecer maneras de medir el tiempo: al día lo dividieron en 24horas y al año en 12 meses, con años de 360 días aproximadamente.Así se originó la Astrología o estudio de los cuerpos celestes, que

EL ORIGEN DE LA CIENCIA

Un paso fundamental en el desa-rrollo de la ciencia fue el lenguajehablado y escrito.

Luego aparecieron la aritmética,la geometría y la arquitectura.

Para medir el tiempo y determi-nar las estaciones debieron reali-zar mediciones celestes.

Así se inicia la astrología que fuela base para la astronomía.

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Capítulo 2

luego se convirtió en la ciencia conocida como astronomía.“Para todos estos cálculos del movimiento de los planetas tuvieron que desarrollar la geometría de los cír-

culos y descubrieron el número Pi, que relaciona la circunferencia con el diámetro del círculo.” Los pueblosbabilónicos que habitaban las tierras regadas por el Tigris y el Éufrates, donde ahora es Irak, fue-ron los maestros de la abstracción y además llevaron registros de una serie de astros celestesdurante miles de años. Estos pueblos desarrollaron conocimientos astronómicos de gran precisiónque luego servirían a la naciente astronomía griega. (Gangui Pag. 25) “Tenían un sistema de nume-ración basado en el número sesenta que permitía hacer cálculos con números grandes; en consecuencia ahoradefinimos a la hora con sesenta minutos y el minuto con sesenta segundos, además, un ángulo de 360 gradosforma un círculo. El sistema babilónico de cálculo fue superior al de los egipcios, pero fue necesario esperar lainventiva y creatividad de los griegos para lograr un sistema deductivo basado en pruebas y demostraciones.”(Rankin, Pag. 6-16)

Con la aparición de las mentes brillantes de Tales, Pitágoras,Demócrito, Euclides, Heráclito, Aristóteles y otros, se hizo posibleestructurar los conocimientos de una manera coherente para así darinicio al camino de las ciencias. “Los grandes pensadores griegos fueronlos primeros en darse cuenta que la verdad debía ser independiente de nuestropensamiento, ya que de otra manera todo sería simplemente una ilusión.” Losfilósofos griegos jugaban un juego que consistía en determinar cuá-les eran las condiciones o características que eran comunes a distin-tos fenómenos, por ejemplo, si se compara un mueble con un servivo, se preguntaban qué tienen ambos que es común a todos losseres vivos y a todos los muebles; la respuesta es los átomos.El pensamiento científico en GreciaTales de Mileto

Está reconocido como el primer científico y filósofo del mundo occidental. Nació en la ciu-dad de Mileto, a fines del s. VII a. C. Este personaje está considerado como el más ilustre de lossiete sabios de Grecia; fue el primer filósofo monista, ya que proponía que el Cosmos debía estarhecho de un solo principio o substrato único, que era el agua. “El movimiento y el cambio eran para Taleslos principios fundamentales de la vida y el Cosmos, y el agua representaba estos principios.” Aristóteles lo con-sideraba como el primer filósofo jónico, fue un gran matemático, astrónomo y físico. Viajó porEgipto donde debió aprender de los sacerdotes egipcios los fundamentos de la geometría.

“Fue el primero en introducir la geometría en Grecia y en proponer que existe un principio universal queconformaba todo el Cosmos; el creyó que este principio era el agua,ya que ésta aparece en tres estados, como sólido en el hielo, comolíquido en el agua corriente y como gas en el vapor.” Se dio cuentade que todas las cosas cambian y se preguntó si existiríaalguna cosa que sea constante en el tiempo. “Lo más intere-sante de Tales, y la razón por la cual se le considera un científico esque no aceptó las explicaciones mitológicas o religiosas, sino que sepropuso buscar explicaciones racionales.” (Gangui Pag. 33-34) Supensamiento dio un extraordinario salto cualitativo al asu-mir que “el Universo estaba ordenado, estructurado y organizado detal manera que la mente humana sí estaba en capacidad de entender-lo.” De modo que la realidad del Cosmos debía tener unorden interno, que estaba ahí esperando ser descubierto porla mente humana. “Tales resolvió el problema de inscribir untriángulo en un círculo y la determinación de la altura de un objetopor su sombra y realizó una aseveración realmente admirable al asu-mir que el mundo es ordenado y no caótico. Estableció la primera

LOS ORÍGENESEmergencia de la Complejidad

Se dice que las únicas preguntas profundas son: ¿de dónde veni-mos? y ¿a dónde vamos?

Nosotros tratamos de entender lanaturaleza que nos rodea y nospreguntamos:

¿Por qué estamos vivos?

¿Por qué existe la Tierra y la vida?

¿Habrá otros mundos con vidainteligente?

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Figura No. 2 - 1 Tales de Mileto.Fuente: http://sapiens.ya.com/webfilosofia/tales.jpg

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cosmología y el comienzo de las ciencias de lanaturaleza.” (Nueva EnciclopediaLarousse)

Estos conceptos fundamentales fuerondiseminados por toda la Grecia antigua ysirvieron de base para el desarrollo cientí-fico posterior de la cultura de occidente.Por esto podemos afirmar que la ciencia sedesarrolló en pueblos que estuvieron bajola influencia de los griegos, y además, sólose desarrolló donde existía un alto gradode libertad y democracia, es decir, respetopor los derechos de los ciudadanos y desus organizaciones sociales. “La ciencia y la democracia son por tanto los legados más importante de Greciay son la base para el desarrollo del mundo entero.” Por esto afirma Carl Sagan que la democracia y lasciencias coinciden en una serie de situaciones y conceptos fundamentales: “Ambas comienzan enGrecia en los siglos sexto y séptimo antes de Cristo. La ciencia y la democracia requieren del intercambio de ideasy conceptos. Ambas son la antítesis del ocultismo y los secretos. Ambas confieren poder al que se toma el trabajode aprender. Ambas promueven los debates y la crítica constructiva. Ambas requieren de honestidad, de argumen-tos coherentes y válidos, y desenmascaran a aquellos que sólo pretenden saber.”

Pitágoras Nació en Samos en el siglo VI a.C. Muy poco se sabe de su vida ya que no dejó nada

escrito. Parece que emigró a Crotona, en las colonias griegas al sur de Italia huyendo dela tiranía de Polícrates. “Fundó una especie de secta secreta con sus seguidores, que sirvió demodelo para otras que surgieron en estas regiones.” Se le atribuye la paternidad de la demos-tración del famoso teorema, del cuadrado de la hipotenusa igual a la suma de los cua-drados de los catetos en un triángulo rectángulo; parece que antes ya se conocía esteteorema y que fueron sus discípulos quienes lo pro-baron.

“Lo extraordinario de Pitágoras es que descubrió la música delas esferas, las relaciones que existen entre las armónicas de unacuerda de un instrumento musical y las fracciones matemáticas. Ensu filosofía de las matemáticas creía que el mundo organizadopuede ser comprendido por medio de principios básicos y propor-ciones regulares” (Gangui Pag. 41), ya que todas las cosasson números y los números son cosas. Trató de explicarel mundo por medio de las matemáticas y ésta fue unade las contribuciones más importantes para el avance delpensamiento humano y la formación del racionalismooccidental. “Pocas ideas han tenido tanto impacto e importanciaen el desarrollo del pensamiento humano como ésta de relacionarlos fenómenos naturales con la racionalidad y las matemáticas.”Sus discípulos continuaron sus ideas y en el siglo IV a.C.descubrieron que la raíz cuadrada de dos no era un núme-ro que se podía expresar como una fracción, y esto les diomucho temor, ya que supusieron que habían descubiertoalgo numérico pero que no era verdaderamente un núme-ro. (Nueva Enciclopedia Larousse)

Figura No. 2 - 2 Segmento ovalFuente: http://es.geocities.com/ccalvimontesr/304CARAC.jpg

Figura No. 2 - 3 PitágorasFuente: http://www.cielosur.com/archivos/pitagoras-boceto.jpg

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Capítulo 2

Euclides Fue un matemático griego del siglo III a.C. En el

año 300 a.C. en Alejandría, fundó la escuela másimportante de la antigüedad donde se enseñabamatemática. “Compiló un tratado llamado Los Elementoscon todos los axiomas, pruebas y teoremas de la geometríaque eran conocidos en ese entonces, y que siguen vigenteshasta ahora. Al principio de esta obra maestra hay una seriede definiciones de lo que él llama las nociones comunes yluego va desarrollando los teoremas. La obra consta de trecelibros, los cuatro primeros tratan de la geometría plana y des-criben las figuras poligonales y circulares.”

“Los dos libros siguientes tratan las semejanzas y defi-nen las razones y proporciones. Los libros siete, ocho ynueve tratan sobre los números enteros. El libro décimoconsiderado el mejor, trata de los números irracionalesalgebraicos más simples. Los últimos tres son sobre la geo-metría del espacio.” También escribió otro tratadosobre matemática, lla-

mado Los Cálculos que es un complemento de los elementos, peromás analítico. Hay otra obra de Euclides que se perdió, sólo hay refe-rencias de ella, que trataba sobre las superficies planas de cilindros,conos y esferas.

Por último escribió un libro llamado Óptica en que define quelos rayos de luz se mueven en líneas rectas y describe algunas pro-posiciones fundamentales de esta ciencia. “El famoso postulado de lageometría plana que se conoce como Postulado de Euclides dice: Por un puntodel plano no puede trazarse más que una recta paralela a una recta dada.” Laobra de Euclides es sin duda el cimiento básico para el desarrollo delas matemáticas y por ende de las ciencias. (Nueva EnciclopediaLarousse)Demócrito

Es otro de los prohombres de la ciencia; nació en la ciudad deAbdera en Tracia en el año 460 a.C. Se le conoce como el filósoforisueño y es el creador de la teoría atómica de la materia. “Demócrito

estaba cautivado por el problemaplanteado por Tales de que debía existir algún principio universal enla materia: que debía existir un substrato único del Cosmos.” Demodo que propuso una de las ideas más geniales del pen-samiento universal: “Todas las cosas materiales están conforma-das por un número finito de partículas diminutas a las que les llamóátomos, es decir, indivisibles.”

Su interés enorme por los fenómenos naturales le moti-varon a escribir una serie de textos, de los cuales sólo seconocen unos pocos como: “Pitágoras o el comportamiento delsabio, El gran sistema y el pequeño sistema del mundo, De la natu-raleza del hombre, Problemas del cielo, del sol, del fuego” etc. Sepresume que escribió cerca de setenta libros, que desapare-cieron o fueron destruidos, “su pensamiento filosófico se cono-ce por las exposiciones que hace de él Aristóteles.” Vivió variosaños con los geómetras de Egipto y éstos influyeron nota-

Figura No. 2 - 4 Libro Elementos de Euclides.Fuente:http://www.lva.lib.va.us/whatwedo/archweek/2003/archweek_images/GMU/Euclid_large.jpg

Figura No. 2 - 5 Demócrito y el átomoFuente: http://www.puc.br/pos/cesima/schenberg/cientistas/democrito2.jpg

La Ciencia y la Democracia• Dice Carl Sagan que la democra-cia y las ciencias coinciden en unaserie de situaciones y conceptos

• Ambas comienzan en Grecia en los siglos VII a.C

• Ambas requieren del intercam-bio de ideas y conceptos

• Ambas son la antítesis del ocul-tismo y los secretos

• Ambas confieren poder al que setoma el trabajo de aprender

• Ambas promueven los debates y la crítica constructiva

• Ambas requieren de honestidad, de argumentos coherentes y váli-dos y desenmascaran a aquellosque sólo pretenden saber.

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blemente en su forma de pensar. Hay una leyenda sobre Demócrito que dice que cuando estaba pasando frente a una panadería

en Abdera, el pan salía del horno y este olor tan agradable llegó a su olfato de alguna manera. Comono podía ver nada que llegaba, asumió que eran cosas tan pequeñas que no podría existir nuncaun cuchillo tan filo que podría cortarlas y dividirlas y por esto les llamó átomos, que provienede dos palabras griegas, a que significa no y tomo que significa dividir. “Él creía que el cosmos estáhecho de átomos y vacío, los átomos eran partículas materiales invisibles, indivisibles e invariables.” Los átomossólo se diferencian por sus formas y dimensiones, están perpetuamente en movimiento y por mediode sus combinaciones producen los otros elementos. “Demócrito creía que nuestros sentidos como el olfa-to, percibían los átomos que son emitidos por los distintos cuerpos y que todo conocimiento procede de las sensacio-nes, pero son procesadas luego por medio de la razón. Este pensa-dor griego es el precursor de la teoría atómica.” (NuevaEnciclopedia Larousse)Epicuro

Fue discípulo de Demócrito, nacido en la isla deSamos, o quizás en Atenas. “Para Epicuro, los caminos parallegar al conocimiento científico se basan en el lenguaje y en lafelicidad, cree que cada palabra debe corresponder a una nociónexacta.” El espíritu recibe los datos de las percepcionespor medio de las imágenes. Sus descripciones de lamateria se basan en los átomos de Demócrito, de modoque era un atomista y creía que los átomos se movían porel vacío en trayectorias que eran líneas rectas. Peroentonces se preguntaba “¿Cómo es posible que estos átomoschoquen y se asocien con otros para formar los cuerpos compues-tos como la tierra, el agua, el aire y el fuego?” Formuló el con-cepto del “clinamen” que trataba de explicar el origen delas sustancias, de la siguiente manera: “Cuando los cuerposestán siendo transportados hacia abajo, por efectos de su propio peso, en línea recta a través del vacío, en ciertostiempos y lugares indeterminados, se desvían un poco de su curso, sólo lo suficiente para que se pueda hablar deun cambio de dirección. Esta declinación de la recta es el arbitrium, la sustancia específica, la verdadera cuali-dad del átomo. Esta no es una cualidad sensible, es el alma del átomo.” Sin embargo, no se presentaba nin-guna explicación de cuál era el mecanismo para que se produzca este clinamen o declinación delos átomos que viajan en línea recta.(Nueva Enciclopedia Larousse)

PlatónPlatón nació en Atenas el mismo año en que se desató

una de las peores plagas que asotó la ciudad y sus entornos:427 a.C. Perteneció a una de las familias más antiguas yaristocráticas de Atenas y fue educado por tutores en sucasa, donde aprendió a leer y escribir; leyó los libros deHomero y aprendió a tocar musica. Luego pasó al gimnasiodonde desarrollaban el cuerpo mediante ejercicios y depor-tes, preparando a los jóvenes para el servicio militar. En elcaso de Platón, es indudable que en sus paseos por el Ágora,conoció a Sócrates y se convirtió en su ferviente discípulohasta la muerte trágica de éste.

“Sócrates fue uno de los pensadores más profundos y originalesde la antigua Grecia, mas nunca escribió una sola palabra de filoso-fía, solo conocemos de sus pensamientos por los escritos de sus dosdiscípulos Platón y Jenofonte, ya que ambos se convirtieron en los

Figura No. 2 - 6 EpicuroFuente: http://www.consciencia.org/imagens/epicuro.jpg

Figura No. 2 - 7 PlatonFuente: http://www.africamaat.com/IMG/jpg/platon.jpg

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Capítulo 2

acompañantes permanentes de Sócrates.” Como hemos mencionado antes, los pueblos se preguntanfrecuentemente sobre el origen del cosmos y nuestro destino en él. En ese entonces muchos pen-saban que las explicaciones a estas importantes preguntas tenían que venir necesariamente de lareligión o la mitología y que eran los dioses los responsables. Mas en la Grecia antigua, empeza-ron a buscar otras explicaciones diferentes, fue así que los pensadores, también conocidos comolos presocráticos, habían propuesto una serie de explicaciones alter-nativas a las mitológicas.

“En el año 339 a.C, un poeta y fanático religioso llamado Meleto y un ora-dor llamado Licón denunciaron a Sócrates acusándolo de no reconocer a losdioses del Estado y de corromper a la juventud; en el juicio la mayoría decidióque Sócrates era culpable. Una costumbre de esa época era que los culpablespodían pedir una sentencia diferente y Sócrates sorprendió a todos cuando pro-puso como sentencia alternativa que le den comida gratis por el resto de su vida,los jueces molestos por esto le confirmaron la pena de muerte.” Platón relatalos últimos momentos de su maestro en el Fedón y a la muerte deSócrates, Platón se marcha de Atenas y va para Egipto y Cirene. A suregreso escribe la Apología, que es la defensa de Sócrates y losDiálogos en que se presentan las situaciones y las conversacionesque Sócrates puede haber tenido.

“El objetivo de Platón al escribir estos diálogos es demostrar que la vida deSócrates como filósofo es la mejor forma de vida, si esta vida se fundamenta enla búsqueda de la verdad y la belleza.” Esta es la idea pitagórica fundamental, que la filosofía es unmodo de vida unido a la idea del camino verdadero, que es el camino del conocimiento. “Platónconsideró que la verdad no proviene de los profesores o de los libros, ya que nuestro conocimiento de las cosas nose fundamenta en las palabras, descripciones o imágenes. Platón consideró que la verdad consiste en entenderpor medio de la mente.” Por ejemplo, si queremos entender qué es una esfera, debemos desarrollarun verdadero conocimiento de lo que realmente es una esfera, “no es suficiente con las palabras o lasimágenes, se requiere un verdadero dominio intelectual de la verdadera naturaleza de la esfera y este conoci-miento son las formas ideales, que forman los moldes perfectos y eternos de los objetos que nos rodean.”(Cavalier Pág. 17-55)

“El cosmos platónico era muy pequeño, del tamaño del sistema solar y estaba centrado en la Tierra. El lími-te del cosmos era la esfera de las estrellas fijas y dentro de esta última esfera estaban contenidas una jerarquía deveintisiete esferas menores alrededor de la Tierra.” (Gangui Pag. 57)

“Platón consideraba que el mundo de los cielosera finito y lo llamó kosmos, es decir bello y armo-nioso, en contraposición a lo terrenal que era imper-fecto , ya que la realidad era ilusoria, por lo cual estáen un plano inferior.” (Gangui Pag. 54)

El cosmos de Aristóteles Aristóteles nació en el año 384 a.C. en la

ciudad de Estagira en Tracia. Su padre fue elmédico personal del rey de Macedonia, padrede Alejandro Magno. A los diecisiete años seestableció en Atenas para estudiar en laAcademia de Platón. Aristóteles está conside-rado la persona más inteligente de todos lostiempos y el primer verdadero científico. Elpensamiento de Aristóteles difiere notable-mente del de Platón en muchos aspectos, demodo que es posible que existiera cierta riva-

lidad entre los dos, que finalmente causó un distancia-

Platón

• La vida del filósofo es la mejorsi busca la verdad y la belle-za.

• El camino verdadero es elcamino del conocimiento.

• Nuestro conocimiento no sefundamenta en palabras,descripciones o imágenes.

• La verdad consiste en el domi-nio intelectual de las formasideales.

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Figura No. 2 - 8 El universo de AristótelesFuente: http://csep10.phys.utk.edu/astr161/lect/retrograde/aristotle.gif

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miento cuando Aristóteles abandonó la Academia a la muerte de Platón.“Aristóteles estaba interesado en conocer la realidad última de lo que existe, la cualidad esencial que se llamó

ontología, y los límites de nuestro conocimiento sobre lo que existe, que se le llamó epistemología. Aristóteles nosadvirtió que sí existe un mundo y si deseamos comprenderlo, es necesario que tengamos pleno conocimiento delo que es y cómo es, es decir, de lo que él llamó las sustancias. Esta visión fue el comienzo de lo que se conocecomo empirismo, es decir, la necesidad de verificar los conocimientos en la realidad por medio de pruebas y expe-rimentos. Este es el fundamento de la ciencia moderna.” (Woodfin y Groves, Pag. 35)

Aristóteles escribió una serie de tratados que no sólo influyeron en su tiempo sino que se con-virtieron en el fundamento de casi toda la ciencia hasta los tiempos de Newton, a lo largo de casidos mil años. En su obra encontramos tratados de filosofía, lógica, astronomía, biología, física ymetafísica. Demostró estar más dotado para la lógica y menos para la filosofía natural, o lo quellamamos ahora ciencia.

En lo que se refiere a la ciencia, “Aristóteles pensaba que ésta podía trascender las categorías, que sedebe buscar las cualidades comunes a todo tipo de objetos, lo que significa que la ciencia debía ser general y abs-tracta, pero que es importante clasificar las definiciones de sustancias en especies y géneros.” Las sustanciasse caracterizan por una finalidad o propósito; como una planta cuya finalidad es dar semilla, y lafinalidad de un pedazo de mármol es convertirse en una estatua para el escultor. “Aristóteles se opo-nía al reduccionismo, que pretendía encontrar las explicaciones de los cambios reduciendo las sustancias a suscomponentes elementales.

La concepción aristotélica consistía en encontrar las explicaciones en términos de fines y causas, lo que esel comienzo del concepto de causalidad científica moderna... Aristóteles consideraba que la naturaleza es un orga-nismo racional y comprensible para todos aquellos que tengan la capacidad y la formación adecuada. ¿Por quécrece una planta? Había cuatro razones o causas para esto: la causa material, porque sus componentes materia-les permiten el cambio. La causa formal, porque sus funciones fisiológicas determinan el crecimiento. La causaeficiente, porque condiciones externas, como los nutrientes de la tierra y la luz del sol promueven su crecimien-

to. La causa final, porque de acuerdo a su propósito final, la planta debe crecery producir semillas en forma perfecta.”

Sus obras de ciencia incluyen: La Física, Sobre el cielo, Sobre lageneración y corrupción; Aspectos meteorológicos, Sobre el univer-so, La sensación y lo sensible; Sobre la juventud, la vejez, la vida yla muerte; Sobre la respiración, Movimiento en los animales,Evolución de los animales, Generación de los animales; Sobre loscolores, Sobre las plantas, Sobre maravillas oídas, Mecánica, Lassituaciones y los nombres de los vientos, Metafísica etc.

La noción de que el pensamiento se divide en categorías o clasescomienza con los antiguos griegos y continúa con Aristóteles, que alinventar la lógica, la separa en axiomas fundamentales e infe-rencias derivadas; igual que en Los Elementos de la geometría deEuclides. Decía Aristóteles “hay que comenzar con algo y en algún lugar,de modo que comenzamos con las verdades aceptadas, pero indemostrables,” alas que llamó “axiomas.” La lógica la fundamenta en lo que llamó un“silogismo, compuesto de dos axiomas que permitían deducir un tercero o con-clusión. Al primer axioma lo llamó: el principio de no contradicción, que diceque no es posible que algo sea y no sea al mismo tiempo.” Por ejemplo, unamujer está en cinta o no lo está, pero no puede estar en ambas con-diciones al mismo tiempo. “El segundo axioma es el principio del terceroexcluido, que dice que por lo menos una de dos condiciones debe ser verdadera,por ejemplo, si se afirma que llueve y que no llueve, una de las dos debe ser ver-dadera.”

El razonamiento de Aristóteles está basado en la lógica silogísti-ca; los silogismos están o pueden estar desvinculados de toda formade experimentación y consisten en dos afirmaciones y una conclu-

El pensamiento científico enGrecia Tales de Mileto propuso que el agua es el principio universal de la materia.Introdujo la geometría y creía que la mente humana si está en capacidad de entender al cosmos.Pitágoras descubrió la música de las esferas y las relaciones entre los fenó-menos naturales con la razón y las mate-máticas. Al vincular las matemáticas con la realidad hizo una de las contribucionesmás extraordinarias a la cultura humana.Euclides compiló un tratado con todoslos axiomas, pruebas y teoremas de la geometría aún en uso.Demócrito concibió que todas las cosasestán conformadas por un número finitode partículas diminutas llamadas átomos.Epicuro tenía un dilema, el determinismodel cosmos. ¿Está éste regido por leyesque permiten determinar lo que puedesuceder? El Cosmos de Aristóteles Aristóteles estaba interesado en conocerla realidad última, la cualidad esencial quele llamó ontología, estudio del ser.También estudió los límites de nuestroconocimiento de lo que existe, que sellamó epistemología. En su metafísica diceque si existe un mundo y nosotros desea-mos comprenderlo, es necesario conocerlas sustancias, es decir, la materia, los áto-mos. Dio comienzo al empirismo,la necesidad de verificar en la realidad con pruebas y experimentos.

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Capítulo 2

sión, que en muchos casos está totalmente alejada de la verdad. Este paradigma de la lógica aris-totélica es el que dominó el pensamiento occidental durante más de dos mil años.

“Según Aristóteles, la esencia del hombre es su racionalidad, esto no significa que siempre somos raciona-les, sino que podemos serlo al usar la lógica, el lenguaje para descubrir lo inteligible e inmaterial de las cosas yde esta manera sistematizar los conocimientos. La lógica nos permite conocer las cosas por medio de las expe-riencias sensoriales. Decía que: no hay nada en la mente que no haya estado antes en los sentidos.”

El método filosófico de Aristóteles se llamaba aporía y consistía en ubicar o identificarun problema y luego buscar su solución. El cosmos de Aristóteles es eterno e imposible de sercreado o tener un final: además es perfectamente regular y se halla descrito más que nada en suMetafísica, que muchos consideran su obra más importante. “Él se imaginaba al mundo tal y como apa-rece a nuestros sentidos, con las estrellas inamovibles en el firmamento a igual distancia del centro de la Tierray los planetas vagando en órbitas circulares alrededor de la Tierra. Más allá de las estrellas no existía ni espacioni tiempo, solo una cualidad sobrehumana que estaría a cargo de imprimirles el movimiento de rotación, tambiénllamado el Primum Mobile o primer motor que impulsa al mundo. Dice Gangui que: “Para Aristóteles la subs-tancia fundamental de la región supralunar era el elemento incorruptible, imponderable, cristalino y transparentedel éter.” (Gangui Pag. 61)

Para Aristóteles “la tarea fundamental de la física era explicar los principios y funciones de la compleji-dad en la naturaleza y cómo se producían los cambios y los movimientos. Él usó estos mismos principios paraexplicar la materia inanimada del cosmos, a la cual le llamó la parte inorgánica de la naturaleza. Había sola-mente tres tipos de cambios: los cambios cuantitativos, en que se incrementaba o disminuía una magnitud; loscambios cualitativos, en que se alteraban las características, y el cambio espacial, en que se producía un cambiode lugar o movimiento en el tiempo.”

“Aristóteles fue botánico, biólogo y fisiólogo y su idea fundamental de la vida era que ésta era auto-poiética, es decir, se auto-generaba, rechazando las concepciones atómicas y reduccionistas. Por esto pode-mos afirmar que Aristóteles tenía una visión muy moderna y holística de la naturaleza y de la vida. Paraexplicar la vida, la concibió como procesos de cambio en la naturaleza, o lo que ahora llamamos evolución.Rechazó la matematización de la vida, llamándola especulativa y no realista. La vida era un proceso de auto-movimiento y cambios con propósitos bien definidos.”

“La vida significaba tener alma, en el sentido de una fuerza organizativa, o entelequia vital de la materia, queél creía que residía en el corazón. De modo que la autoorganización de la vida fue interpretada por Aristóteles comouna función auto-gobernada, apuntando a ciertos atractores u objetivos, con propósitos específicos propios, llama-da teleología, o la explicación de la finalidad y el propósito de los cambios, tanto naturales como artificiales.” Unade las visiones más increíbles de Aristóteles es que concibió la evolución de los seres vivos por elazar y espontáneamente, lo que posteriormente Darwin confirmaría dos mil años más tarde.(Darwin, Pag. 9)

Otra visión similar, y de igual importancia, fue la que tiene que ver con la evolución de las orga-nizaciones de la sociedad, de la política, la educación, el arte, la técnica y el gobierno compartidopor el pueblo y una pequeña élite, es decir, el comienzo de la democracia.

Con su enorme obra de investigación empírica y de recopilación de las adquisiciones científi-cas del mundo helénico, hizo enormes aportaciones a la física, la biología, las Hhumanidades, lalógica, la metafísica por lo que podemos afirmar que probablemente Aristóteles es la persona másinteligente de la cultura occidental, usando la razón y la observación, diferenciando las formas dela materia. Pero aun las personas muy inteligentes cometen tremendos errores, por eso “la mayoría delas explicaciones de Aristóteles contenidas en su Meteorología están erradas, siendo la mayor equivocación el asu-mir que la Tierra está en el centro del cosmos y que el Sol gira alrededor de la Tierra.” (Woodfin y Groves, Pag.104 -105)

Aristóteles estaba además convencido de que la rapidez de los cuerpos al caer era direc-tamente proporcional a sus tamaños, es decir, a sus pesos. Todavía muchas personas creen esto,pero desde Galileo, con el método experimental sabemos que esto no es correcto. El tercer granerror fue creer que el Universo es inmutable, es decir, que nunca cambia, pero desde Hubble sabe-mos que esto tampoco es así, ya que se expande, evoluciona y está en constantes cambios. El cuar-to gran error fue decir que los hombres son superiores a las mujeres en todo sentido, que éstas sóloaportan la materia en la reproducción sexual, mientras que los hombres aportan su sangre que se

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convierte en el nuevo ser. Más adelante veremos otros errores que cometió Aristóteles.

ArquímedesNació en Siracusa, Sicilia, en el año 287 a. C;

en ese entonces ésta era una colonia griega. Hijo delastrónomo Fidias, quien fue el que le enseñó matemá-ticas; luego viajó a Alejandría para estudiar con Canónde Samos y ahí conoció a Eratóstenes, el director de lagran biblioteca de Alejandría y además el astrónomoque había determinado la circunferencia de la Tierracon gran exactitud. (Ver figura 2 - 9) Se dice que

Arquímedes fue el estra-tega que permitió a losgriegos de Siracusadefenderse contra losataques de los romanos.Inventó una serie demáquinas como la catapulta, un sistema de espejos y lentes quesupuestamente permitieron incendiar varios barcos de la flotaromana. Pero lo más importante de su trabajo fue en la hidrostáti-ca, al descubrir el principio de la fuerza boyante, que es la que per-mite que los cuerpos floten. Descubrió la balanza hidrostática, eltornillo que permite subir agua, la ley de la palanca y otros más.Fue además uno de los grandes pensadores de las matemáticas, alresolver el problema dela cuadratura del círcu-lo y al determinar con

enorme exactitud la relación entre el diámetro y la cir-cunferencia del círcilo, descubriendo el número Pi,con gran exactitud. Fue uno de los precursores del cál-culo integral al estudiar las superficies y los volúme-nes de los sólidos cónicos y descubrió la fórmula paracalcular el volumen de la esfera. Este fue otro de losgrandes genios de la Grecia antigua. (Fuente:http://es.wikipedia.org/wiki/Arquímedes )

EL ORIGEN DEL UNIVERSOLa palabra origen tiene sentido solamente si la

podemos poner en el contexto de un determinadotiempo, es decir, como el principio de algo. Para noso-tros los humanos el origen de las cosas es muyimportante, tanto por razones lógicas como emo-cionales. Para comprender el significado profundo o laesencia de las cosas debemos conocer sus orígenes, dedónde provienen, cómo comenzaron. Pero no hay nada tan importante e interesante como nues-tro propio origen: tenemos esta tendencia antropocéntrica imbuída en nuestras personalidades porlos procesos evolutivos. Podemos entender que existimos solamente desde el momento en quenacemos, pero sabemos que hay un tiempo antes de nuestro nacimiento y después de él. Debemosentender que cuando hablamos de los orígenes del universo, estamos implicando una teoría

Figura No. 2 - 11 Chiste sobre el Big BangFuente: http://www.cartoonstock.com/lowres/sea0209l.jpg

Figura No. 2 - 9 Determinación de la circunferencia de la Tierra porEratóstenes.Fuente:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/b/be/Eratosthenes_%26_mea-surement_of_the_Earth.png

Figura No. 2 - 10 Arquímedes gritando eureka,al descubrir la balanza hidrostática.Fuente:http://divulgamat.ehu.es/weborriak/Cuentos/Irudiak/arquimedes.jpg

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Capítulo 2

sobre los orígenes de los orígenes, el comienzo del comienzo, es decir, algo realmente extra-ordinario y complejo, ya que no estuvimos presentes cuando se produjo ni tenemos relatos de loque sucedió.

Algo parecido sucedía con los antiguos cristianos que se preguntaban al principio del cristia-nismo ¿qué hacía Dios antes de haber creado el mundo? La respuesta jocosa era que estabapreparando el infierno para todos aquellos que hacían este tipo de preguntas. San Agustín síentendió que no podía haber tiempo antes de la creación del mundo, de modo que respondió quela creación no fue solamente de la materia sino también del tiempo.

En la antigua Grecia, entre los filósofos había una aversión total contra el vacío, contra la nada,pues consideraban que éstos eran estados imposibles, que nunca podía existir algo que fuera nada,que no contuviera alguna materia en ese estado y que si se retiran las cosas en el Cosmos, siemprequedarían las formas ideales, de modo que no podía existir la nada o el vacío.

“Para Parménides el cosmos formaba una unidad que llenaba todo el espacio, de modo que el vacío era unasituación imposible. El otro principio fundamental de la lógica de Parménides era que las cosas no pueden apa-recer de la nada o desaparecer en la nada.” La tradición griega decía que debía existir siempre algo ori-ginalmente que permitió la formación del cosmos y del mundo, en cambio la tradición judeo-cris-tiana dice que existió originalmente un Creador que fue el arquitecto de todo el mundo y de loque existe. Los que sí consideraron la posibilidad de que exista el vacío, fueron los atomistas,comenzando por Leucipo de Mileto y su alumno Demócrito. Se sabe que Leucipo fue alumno deZenón y contemporáneo de Empédocles. Una de sus obras principales fue El gran orden del cos-mos en que desarrolló los principios del atomismo. Como vimos antes, estos pensadores considera-ban que toda la materia estaba conformada de unidades diminutas e indivisibles llamadas átomos,pero que estos átomos se movían en un espacio vacío. “Esta visión de los atomistas no pudo convencer alas generaciones que vinieron después y durante los dos mil años posteriores lavisión que prevaleció fue la de Aristóteles, que rechazaba la posibilidad de queexista el vacío y que el cosmos era finito y estaba lleno de toda la materia, de modoque el espacio estaba definido por la materia que contenía.”

Durante el medioevo se impuso la doctrina de San Agustín de lacreación divina de todo lo que existe, desde la nada como un acto de fe;hablar del vacío o de la nada era una herejía. “Para San Agustín la nadaera como el diablo, ya que representaba la contradicción con Dios y por tanto eraun estado de pecado y la antítesis de la virtud.” Al mencionar el concepto dela nada, San Agustín entró en un terreno muy complejo, pues se impli-caba que antes de la creación debía haber existido la nada, pero él selibró de este dilema al decir que cuando Dios creó el mundo, tambiéncreó el tiempo simultáneamente.

“Durante los siglos XVI y XVII se recuperó la visión de los estoicos de queel cosmos era finito y estaba rodeado de un vacío infinito. Esta también era lavisión que tenía Newton, del vacío infinito como una realidad y se preguntabade qué estará hecho este vacío universal.” Ahora la ciencia nos prueba quesí hay un origen del universo y que éste es también el origen deltiempo. Sabemos también que este universo no es inmutable o eter-no, como decía Aristóteles, sino que está en constante evolución y almismo tiempo se auto-organiza y emergen estructuras, pero conti-nuará enfriándose hasta llegar a lo que se denomina la muerte tér-mica, como veremos en el capítulo diez sobre cosmología.

El Big BangRecién en los años sesenta del siglo XX se inician seriamente los

estudios e investigaciones cosmológicas, basadas en la Teoría Generalde la Relatividad, como veremos en el capítulo ocho y que trata sobreel dilema del espacio-tiempo. En 1917, dos años después de publicar

EL ORIGEN DEL UNIVERSOLa palabra origen implica un tiempodeterminado. Entendemos queexistimos solamente desde quenacemos, pero sabemos que hay untiempo antes de nuestro nacimien-to y después de él. Con el Big Bangtratamos del origen primigenio y elcomienzo de todo, que es algo tras-cendental.

El Vacío: en la antigua Grecia habíauna aversión total contra el vacío ycontra la nada. Aristóteles rechaza-ba el vacío y creía que el cosmosera finito y estaba lleno de materiaLeucipo y Demócrito sí considera-ron la posibilidad de que exista elvacío. Durante el medioevo seimpuso San Agustín con la gestióndivina, desde el acto de la creación.En los siglos XVI y XVII se conside-raba que el cosmos era finito, rode-ado de un vacío infinito.

La Cosmología Recién en el siglo XX se inicia la cosmología basada en la teoríageneral de la relatividad. La cosmo-logía es el estudio del cosmos en su totalidad, su origen, evolu-ción, estructura y muerte.

El Sistema SolarHace unos cinco mil millones deaños se formaron el Sol y los plane-tas, a partir de una enorme masade gases y polvo estelar que girabalentamente. La Tierra era una bolaardiente de lava líquida.

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esta teoría, Einstein escribió un artículo titulado Consideraciones Cosmológicas , en el que descri-bía las aplicaciones de su teoría a todo el Universo. “La cosmología es el estudio del cosmos en su totali-dad, su origen, evolución y muerte. La estructura del cosmos está determinada a gran escala por la fuerza de gra-vedad y ésta es la que determina la estructura de los sistemas planetarios, de las galaxias y de los grupos de galaxiaso clusters. En un principio la cosmología era filosofía, ya que no era posible probar ninguna de las hipótesis y ase-veraciones que se realizaban, pero con el tremendo desarrollo de la astronomía a partir de los años treinta del sigloXX y con la relatividad general que resultó ser muy precisa y confiable, se logró comprobar muchos de los postula-dos y convertirle a la cosmología en una ciencia. En el capítulo diez veremos en detalle los distintos aspectos de estaciencia tan importante.”

Hace cerca de catorce mil millones de años, nuestro universo estaba totalmente desorganiza-do, no había galaxias, ni moléculas ni átomos, era sólo una sopa de energía con temperaturas debillones de billones de grados; en estas condiciones y circunstancias, nuestros conocimientos ynociones de la ciencia no se aplican. De modo que el Big Bang es no solamente el origen del uni-verso, sino también el límite de nuestros conocimientos actuales. Puede ser que en el futuro cer-cano podamos saber más acerca del comienzo de nuestro universo y aun de lo que pasó antes pormedio de la teoría de las super-cuerdas, cuyos fundamentos veremos en el capítulo siete.

“Al principio del tiempo, todo el espacio y toda la materia y energía estaban en un lugar del tamaño de lapunta de un alfiler. Al principio solo existía una fuerza, todas las que conocemos ahora estaban unificadas en unasola debido a la casi infinita cantidad de energía de diez elevado a la treinta potencia de grados kelvin de calor.En estas condiciones extremas la estructura del espacio y el tiempo estaban tremendamente curvadas como unaesponja.” A medida que el universo se enfriaba en el primer segundo, aparecieron las otras fuerzascomo la gravedad, la electromagnética, la nuclear fuerte y la débil. Estas fuerzas, pero especial-mente la gravedad, fueron las que organizaron al cosmos y crearon el orden que nosotros podemosadmirar en su extraordinario esplendor en una noche estrellada y por medio de los grandes telesco-pios y fotografías que con ellos se toman.

La inflaciónEl universo al mismo tiempo se infla y cada punto del espacio se aleja de los otros puntos a

velocidades superiores a la de la luz, de modo que en menos de una millonésima de segundo eluniverso, es decir el espacio, alcanza un tamaño de diez elevado a la cincuenta potencia mayorque al principio. “Debido a la enorme temperatura inicial, los fotones convierten su energía en partículas demateria y antimateria, que se aniquilan unas a otras, produciendo nuevos fotones de energía. Por razones que noconocemos la materia gana la batalla contra la antimateria, si no fuera así, nuestro Universo estaría solamentecompuesto de fotones de luz.”

Cuando el universo se enfrió a unos cuantos miles de grados kelvin, después de unos tres-cientos mil años, los núcleos atómicos de hidrógeno, helio y litio pudieron captar unos elec-trones formando los primeros átomos. En este momento el universo se hizo transparente a laluz y estos fotones que vuelan por el espacio desde esa época podemos observarlos aún ahoracomo la llamada radiación de fondo.

“El universo se auto-organiza con la sopa inicial de cuarks y leptones, que luego se transforman en protones,neutrones y electrones y de esta manera se van formando los átomos más livianos como el deuterio y el helio; todoesto en el primer segundo de vida del universo, que se convierte en una masa de partículas elementales.” Estosprocesos se pueden probar por medio de los grandes aceleradores de partículas, que nos permitenexperimentar con condiciones similares a aquellas que tuvieron lugar al final del primer segundo delBig Bang. “Durante el primer millón de años de expansión del universo, esta materia primigenia formada ensu mayor parte por hidrógeno, se aglomeró debido a la gravedad en estrellas gigantes con masas diez o más vecesmayores que nuestro Sol. Cuando estas super-estrellas agotaron el combustible hidrógeno, explotaron al final desus vidas con tales presiones y temperaturas que formaron el resto de elementos del universo.” (Tyson pag 25-27)

La evolución del universoComo consecuencia de las enormes explosiones de estas super- estrellas llamadas supernovas,

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Capítulo 2

se formaron todos los elementos que ahora conocemos en la naturaleza, pero especialmente losimportantes como el carbono y el oxígeno que se formaron por la unión de átomos de helio, trespara el carbono y cuatro para el oxígeno. Hace siete u ocho billones de años, se formó nuestroSol, una estrella común y corriente, relativamente pequeña, dentro de una galaxia conocidacomo la Vía Láctea. Hace unos cuatro mil quinientos millones de años se formó la Tierra en unlugar que ahora denominamos sistema solar. En unprincipio la Tierra era una bola ardiente de lavalíquida, que ardía por el calor de la desintegraciónradioactiva y la energía calórica, resultado de loschoques del gran bombardeo de la lluvia de come-tas helados y meteoros carbonados que aumentaronla cantidad de agua y carbono del planeta, así como dela temperatura que ahora se concentra en el centro dela Tierra.

Cuando se enfrió la parte exterior de la Tierra,el vapor de agua se condensó y llovió durantemiles de años y se llenaron los océanos, estable-ciéndose las condiciones para el segundo procesode auto-organización fundamental, la vida. Elhidrógeno libre que quedó en la Tierra se com-binó con carbono para formar metano. Tambiénse combinó con el oxígeno para formar agua. Alcombinarse con el nitrógeno, formó amoníaco ycon azufre, los sulfuros. Estos gases son los queformaron las macromoléculas de la vida.

LA EVOLUCIÓN DE LA VIDAPara poder entender la pregunta del origen de la

vida, debemos primero aclarar qué es la vida; esta pre-gunta no es nada fácil de contestar, ya que no existe una respuesta sencilla ni que sea general-

mente aceptada. Cualquier característica de losseres vivos puede ser también descubierta en losseres no-vivos; los seres vivos se reproducen, lomismo hace el fuego. La vida evoluciona y produ-ce nuevas formas de vida, lo mismo sucede con loscristales que crecen en soluciones acuosas.

Se puede entender la vida como los procesosque permiten que ciertos seres orgánicos sereproduzcan y evolucionen. La vida en el planetaTierra se inicia con cuatro elementos, carbono,hidrógeno, oxígeno y nitrógeno, que se les cono-ce como CHON, todos los otros elementos sóloconforman menos del uno por ciento de la materiade los seres vivos en la Tierra.

¿Cómo comenzó la vida en la Tierra? Esta pregunta aún no se puede responder

con total seguridad ya que los seres vivos primi-tivos no dejaron huellas muy claras de su exis-tencia. Las placas tectónicas están moviéndose yFigura No. 2 - 13 Experimento de Miller y Urey

Fuente: http://www.sedin.org/picsevo/Miller01.gif

FiguraNo. 2 - 12 Evolución del cerebro humanoFuente: http://static.howstuffworks.com/gif/evolution-skull.jpg

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chocando unas con otras desde hace miles de millones de años, demodo que los restos de los primeros seres vivos están cocinados enel interior de la Tierra. La ciencia que estudia el origen de la vida enla Tierra se llama paleobiología; ésta estudia los restos de seresvivos en rocas que tienen varios billones de años. Los restos másantiguos de seres vivos datan de hace 2.7 billones de años, de modoque se puede presumir indirectamente que existieron seres vivosantes de esas épocas. La vida en la Tierra debió aparecer hace más detres billones de años, antes de que aparecieran cantidades significati-vas de oxígeno libre en la atmósfera. “Este oxígeno primitivo apareciócomo el desecho de los procesos de fotosíntesis de ciertas algas del mar llama-das cianobacterias. También algo de oxígeno libre aparece por efecto de losrayos ultravioletas que descomponen a las moléculas de agua de los mares pri-mitivos, liberando oxígeno e hidrógeno a la atmósfera. El oxígeno oxidó lasrocas de esa época, dándoles un color rojizo típico de la oxidación. Esta fue lamayor polución de nuestro planeta, ya que no solo oxidó las rocas sino tambiéna las moléculas de los alimentos de los seres vivos de esa época, por lo quemuchas formas de vida desaparecieron o debieron adaptarse al oxígeno.”(Tyson pag 233-237)

La vida comenzó como un largo proceso de auto-organización yco-evolución que lo llamamos genéricamente evolución.Partiendhttp://www.sedin.org/picsevo/Miller01.gifo desde primitivasmoléculas simples, hasta la formación de aminoácidos y luego delácido ribo-nucleico o ARN y después del ácido nucleico o ADN queno contiene oxígeno. Con estos bloques constructivos estaba lista laevolución para producir las primeras proteínas que permitieron la for-mación de las células primitivas o procariotas, que no tenían un núcleobien definido como en el caso de las bacterias.

Todo este proceso se inicia con unas moléculas llamadas orgáni-cas, que están hechas de carbono y otros elementos en los mares y enla tierra primitiva. Estas moléculas existen virtualmente en todo elUniverso; cuando se dieron las condiciones ambientales adecuadas,gracias a las macromoléculas se inició el proceso de auto-organiza-ción de la vida que duró muchos cientos de millones de años.Algunas de estas moléculas tenían una cualidad muy importan-te: se podían reproducir a sí mismas, como las de ARN.

Como dijo Jacques Monod, “este proceso de la vida es completamen-te probable y totalmente necesario en la Tierra por las condiciones ambientalesque existían en ese entonces.” Darwin y Wallace propusieron en el sigloXIX la idea fundamental de que “la vida se inicia en un proceso continuode acumulación de cambios e información, que duró miles de millones de años,llamado evolución por selección natural,” como vimos antes.

¿Qué es la vida?Con esta pregunta comienza el libro del gran biólogo ruso Alexander Oparin publicado

en Moscú en 1923. Lamentablemente este importante trabajo no fue conocido en occidente hastael año 1967, cuando John D. Bernal publica su libro llamado The Origin of Life. “Oparin tiene elgran mérito de haber vinculado los procesos de la vida con los elementos químicos, completando de esta manerala teoría de la evolución de Darwin y Wallace y estableciendo científicamente las interrelaciones entre los seresvivos y el entorno que les rodea.”

Oparin reconoció los procesos fundamentales para que emerja la vida, pero especialmente laforma en que se producen las proteínas que luego permiten la aparición de las moléculas básicas

LA EVOLUCIÓN DE LA VIDALa vida se forma en un largo pro-ceso de auto-organización y co-evolución. Partiendo de macro-moléculas, hasta la formación deaminoácidos y proteínas. Luegodel ARN viene el ADN.

Las Macro-moléculasEste proceso se inicia con lasmoléculas orgánicas basadas en elcarbono. Estas moléculas existenen el universo. Algunas de estasse podían reproducir como elARN. Sólo sobrevivieron las que se adaptaron a cambios ambien-tales, luego aparecieron las pri-meras células vivas, las procarióti-cas.

¿Qué es la vida?Oparin estableció los procesosfundamentales de la vida, espe-cialmente la forma en que se pro-ducen las proteínas, que luegopermiten la aparición de las molé-culas básicas de las células primi-tivas.

Las Bio-moléculas La capacidad de los átomos decarbono para formar anillos y lar-gas cadenas es fundamental parala vida. Las bio moléculas másimportantes de nuestro cuerposon las proteínas. La célula es lacaracterística básica de la vida.Cada célula tiene en sí todos losatributos para la vida, incluida lareproducción.

Las CélulasLos órganos complejos de losseres vivos están compuestos porcélulas. En el centro de la célulase encuentra el núcleo. Según LynMargulis las células modernas sonlos resultados de la simbiosis, ycomo resultado se obtienen célu-las mucho más complejas.

Las características de la vidaToda la vida biológica consiste decélulas. La vida es una propiedad delos planetas y de los ecosistemasmás que de los individuos. Hay dostipos de proteínas, las enzimas ocatalizadores y las proteínasestructurales. Los procesos meta-bólicos forman una red de inter-conexiones químicas.

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Capítulo 2

de las células primitivas. Dice Oparin que: “Elsurgimiento de la vida es uno de los problemas más com-plejos y difíciles de las ciencias naturales.” En un prin-cipio hace un recuento de la forma en que se con-cebía la vida en la antigua Grecia y resalta espe-cialmente el concepto aristotélico de la genera-ción espontánea de la vida, “en que se conjugabandos principios, el pasivo de la materia con el activo de laforma, siendo este último la entelequia del cuerpo, que eslo mismo que ahora llamamos el alma. De modo que lamateria inanimada adquiere forma armónicamente y seorganiza con la ayuda de la fuerza del alma que la man-tiene viva.” (Oparin, Pag. 1-8)

Oparin resalta las ideas de San Agustín,quién aseveraba que: “la generación espontánea dela vida era una manifestación de la voluntad del creadormediante un acto del espíritu vivificador”. Algo muyparecido dice Tomás de Aquino, uno de los teó-logos más famosos de la Edad Media; más ade-lante señala que a fines del siglo XIX Darwin yotra serie de investigadores y científicos rusosasentaron un golpe demoledor a estas ideas alafirmar que nuestro planeta había estado pobla-do siempre por animales y plantas similares a lasque existen ahora. (Oparin, Pag. 9-15)

Oparin está en total desacuerdo con cier-tos autores e investigadores de occidente queafirman que: “la vida se presenta de una forma pura-mente casual, gracias a una operante y feliz conjunciónde átomos de carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno yfósforo”. Para Oparin el aparecimiento de vida es

un proceso: “que duró muchísimo tiempo, ya que hasta losseres vivos más primitivos poseen una enorme complejidad quedebe ser el resultado de mutaciones continuas y sumamenteprolongadas de las sustancias que los integran, siguiendo los

procesos evolutivos que permitieron el paso del mundo inorgánico al orgánico.” (Oparin, Pag. 16-21)Dice Oparin que: “para explicar el origen de la vida hay que explicar el origen de las sustancias orgá-

nicas”, pero resulta que éstas son el resultado de las síntesis de los organismos vivos; “luego se pudoestablecer que los hidrocarburos aparecieron en las atmósferas estelares por vía inorgánica. Las sustancias orgá-nicas sufrieron tres tipos de transformaciones o reacciones que son la condensación o alargamiento de las cade-nas de átomos de carbono. La polimerización o combinación de dos moléculas orgánicas por medio de un puen-te o enlace de oxígeno o nitrógeno, y por último los procesos de oxidación-reducción. A todas estas reacciones sedebe la complejidad y diversidad de las sustancias que forman los organismos vivos.” (Oparin, Pag. 26-51)

“En 1953 Urey y Miller en un ya famoso experimento mezclaron metano, amoníaco, vapor de agua e hidróge-no y con unas descargas eléctricas como si fueran rayos, lograron producir una serie de aminoácidos, en condicio-nes muy similares a las que existieron en la Tierra primitiva.” (Ver Fig. 2 - 10) Mucho más difícil es lograrque los aminoácidos se interconecten y formen proteínas, pero bajo grandes presiones como las queexisten en el fondo de los mares, sí se pueden unir y formar sustancias proteinoides. (Trefil y Hazen,Pag. 556)

Figura No. 2 - 14 El árbol de la vidaFuente:http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/d/de/Tree_of_life_by_Haeckel.jpg/300px-Tree_of_life_by_Haeckel.jpg

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Las Bio-moléculas La capacidad de los átomos de carbono para formar anillos y largas cadenas es una caracte-

rística fundamental de las moléculas en las que se basa la vida en la Tierra. “Si se mezclan muchasde estas moléculas, el proceso de conformación de cadenas se repite una y otra vez. Al añadir a cada extremo dela cadena nuevos fragmentos de la sustancia correspondiente se formar un cordón muy largo que constituye lacolumna vertebral de las moléculas que guardan la información genética de la vida, llamadas Ácido DesoxiriboNucleico o ADN.”

Las bio moléculas más importantes de nuestro cuerpo son las proteínas. Todas las proteínasestán formadas por una veintena de moléculas más simples conocidas como aminoácidos ytodos estos aminoácidos contienen nitrógeno. Los aminoácidos tienen la misma estructura bási-ca, con un grupo amina (NH2) que da su nombre a los aminoácidos. El segundo grupo es el ácidocarboxílico (COOH) que hace que las moléculas sean ácidas. El tercero es siempre un átomo dehidrógeno aislado. El cuarto es un enlace del carbono que puede acoplarse a toda una variedad dedistintos grupos químicos, dando a los diferentes aminoácidos sus características específicas.

“El primer aminoácido que se identificó fue extraído del espárrago en 1806, por lo que se le dio el nom-bre de ácido aspártico. Otro aminoácido extraído de la gelatina en la década de 1820, resultó ser de sabor dulcey se denominó glicina de la palabra griega “dulce”. Todos los seres vivos tienen veintitrés aminoácidos impor-tantes. Veinte de éstos se encuentran en todas las proteínas y otros dos aparecen indicando el comienzo y elfinal de la proteína.” La variedad de las proteínas que se pueden generar a partir de unos veinteaminoácidos es enorme. Las proteínas se presentan en dos variedades básicas: unas de estruc-turas largas y estrechas como el cabello, otras globulares en las que la cadena básica está enros-cada formando una bola, como en los músculos. (Trefil y Hazen, Pag. 468-478)

“La célula es la característica básica de la vida y cada célula tiene en sí todos los atributos de la vida,incluida la reproducción.” Todos los órganos complejos de los seres vivos, sea cual sea su fun-ción, están compuestos por células. En el centro de la célula, envuelto en una membrana, seencuentra el núcleo. El ADN está almacenado dentro del núcleo en unas estructuras conocidascomo cromosomas. Cada cromosoma lleva gran cantidad de ADN y es asombrosa la perfeccióncon la que la célula lo desenrolla y lo copia durante la mitosis.

“Los cromosomas son una mezcla de ADN y proteína, pero contrariamente a lo que se había pensado ini-cialmente, es la proteína la que aporta el andamiaje en que se almacena el ADN. En la reproducción de las célu-las humanas conocida como meiosis, los cuarenta y seis cromosomas primero se emparejan de tal forma que cadauna de las veintitrés clases de cromosomas se sitúa al lado de su opuesto y cuando se divide la célula se obtienendos células con 23 pares de cromosomas exactos. Cada proteína representa un gen, es decir, uno de los caracte-res de la herencia. Se estima que en números redondos, existen cerca de 30.000 genes repartidos a lo largo de losveintitrés cromosomas humanos.” (Trefil y Hazen, Pag. 489-502)

Las primeras células que aparecieron en la Tierra debieron ser estructuras muy sencillas, con el material genéti-

co distribuido por toda la célula; a éstas se les llama procariotas, que significa: antes delnúcleo verdadero. Luego de algunos cientos de millones de años apareció un nuevo tipo decélulas mucho más complejas y maduras, las eucarióticas, es decir, con núcleo verdadero.Estas son células que tienen un núcleo y una serie de orgánulos internos. Según Lyn Margulis:“estas células son los resultados de procesos de simbiosis en que dos o más de estas células primitivas se unie-ron obteniéndo células mucho más complejas. Así aparecieron las primeras formas de vida que podían trans-formar la energía del sol por medio de la fotosíntesis. Éstas fueron las primeras plantas-bacterias que tuvieronsu origen en, o cerca del mar”.

“Hace unos quinientos millones de años se produce una verdadera explosión de especies en la Tierra.”Desde un principio la vida se favoreció con las asociaciones de células: los seres multicelularesfueron aumentando en complejidad y diversidad y aparecieron así los animales, seres que podíanprocesar oxígeno que ya era abundante en la atmósfera de esa época, para obtener grandes canti-dades de energía por medio de la respiración.

“En todos estos procesos, vemos que la complejidad aumenta, por medio de la auto-organización de compo-

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Capítulo 2

nentes menores.” Es así como en un proceso que duró cerca de doscientos cincuenta millones deaños, aparecieron los dinosaurios, que dominaron la Tierra por más de doscientos millones deaños, hasta desaparecer hace aproximadamente sesenta y cinco millones de años. Se cree que ladesaparición de los dinosaurios se debió al choque de un enorme meteorito con la Tierra, que pro-dujo una hecatombe de tal naturaleza que los dinosaurios se quedaron sin alimento y perecieron.

“La evolución prueba que existen inextricables conexiones entre todos los seres vivos de nuestro planeta, tantode los que existen en la actualidad como de los organismos que nos precedieron.” Cuando contemplamos la vidaen la Tierra, es fácil pensar que somos la especie dominante, por el poder de nuestra mente, de lasorganizaciones sociales y de nuestros descubrimientos científicos y tecnológicos, pero esto no es ver-dad. (Margulis y Sagan, Pag. 86-100)

Las características de la vida“Toda la vida biológica consiste de células”, dice Capra en su libro Las Conexiones Ocultas, de

modo que el sistema vivo más simple es una célula. Pero la vida mantiene su estabilidad y conti-nuidad cuando se forman los ecosistemas. Las nuevas investigaciones científicas se concentranmás en enfocar el problema desde una perspectiva ecológica y de los sistemas químicos, de modoque la vida aparece como una propiedad de los planetas más que de individuos.

Las células en sus procesos metabólicos involucran a las macromoléculas, especialmente alADN y al ARN para formar proteínas con los aminoácidos. “Hay dos tipos de proteínas, las enzimasque actúan como catalizadores, es decir, aceleran los procesos metabólicos de la célula enormemente y las prote-ínas estructurales que forman las estructuras de la célula.” En los animales superiores como los huma-nos también hay otras proteínas como aquellas del sistema inmunológico y las hormonas. El ADNestá presente en todas las células y es el elemento fundamental para la replicación de las células,es decir, para su división, sin la cual no puede haber descendencia y variaciones para producirnuevas especies. De modo que una serie de autores consideran al ADN como la única caracterís-tica definitoria de la vida. (Trefil y Hazen, Pag. 514-522)

Para Lynn Margulis, “el metabolismo es la química incesante del automantenimiento, es una caracte-rística esencial de la vida. Los procesos metabólicos forman una red de interconexiones químicas … a través delflujo químico y energético, la vida se produce, se regenera y se perpetúa a sí misma continuamente”, de modoque donde hay vida hay redes metabólicas. Estas redes se crean y se regeneran permanentemen-

Figura No. 2 - 15 El ciclo de vida de la malariaFuente: http://www.cdc.gov/malaria/images/graphs/malaria_LifeCycle.gif

64Las Nuevas Ciencias del Cosmos

te mediante las transformaciones químicas y metabólicas. “Esta diná-mica de la autogénesis fue identificada como la clave de la vida por dos chilenosgeniales, Maturana y Varela, quienes le dieron el nombre de Autopoiesis que sig-nifica autogeneración.”

Los biólogos distinguen dos tipos de redes en las células, la redmetabólica que procesa los alimentos que penetran por las mem-branas celulares produciendo metabolitos y la segunda, la red gené-tica, que procesa los metabolitos para producir las macromolé-culas del sistema genético; ambas redes constituyen lo que sedenomina la red autopoiésica. Cuando una célula se reproduce nosólo pasa su material genético, sino también sus membranas, susenzimas y sus orgánulos, es decir, toda la red celular. El estudio delos flujos de energía y materia a través de las células permitió des-cubrir las estructuras disipativas, como las denominó el premioNobel Ilya Prigogine. Estas estructuras son sistemas abiertos quepermanecen en un estado alejado del equilibrio, pero estable con uncambio continuo de sus componentes. Las estructuras dinámicas tie-nen como una de sus características que en determinadas condicio-nes producen nuevas formas espontáneamente, lo que se denominaemergencia espontánea. (Capra, Pag. 34-37) Estos fenómenosemergentes serán tratados detalladamente en el capítulo once en lasección Los procesos emergentes.

“Los procesos emergentes nos dicen que no sólo se necesita una sopa quí-mica primordial que inicia la complejidad molecular, sino también que serequiere de unas membranas primitivas que formaron las primeras burbujascerradas y que la vida se inició en el interior de estas burbujas.” (Capra,Pag. 42-49) Una vez que se formaron las primeras células, el cami-no hacia la complejidad biológica estaba abierto con la entrada delnitrógeno indispensable para las reacciones catalíticas y para elalmacenamiento de información. Dice Capra que: “Con estos elemen-tos se dio inicio al despliegue global de la vida por medio de las mutacionesgenéticas y la simbiosis o asociación de dos o más organismos vivos para pro-ducir uno mejor.”

Se puede afirmar que: “la vida es la célula viva como una red metabó-lica delimitada por una membrana, autogenética y organizativamente cerrada,con diversos tipos de macromoléculas de gran complejidad: enzimas que actúancomo catalizadores de procesos metabólicos; ARN, que actúa como mensajeroen la transmisión de información genética; y ADN, que almacena informacióny es responsable de la autorreplicación celular.” (Capra, Pag. 58)

Condiciones indispensables para la vidaPara que la vida exista es indispensable un universo que ha evo-

lucionado como el nuestro, se requiere una fuente de energía de unaestrella como nuestro Sol y de un planeta como la Tierra que tiene losátomos necesarios que permiten que se formen las moléculas yestructuras complejas de la vida. Se requiere de un líquido que per-mita que las moléculas se combinen entre sí. Además que haya eltiempo necesario para todos los procesos de la vida y su evolución yestar a suficiente distancia del centro de la galaxia para que las radia-ciones no destruyan la auto-generación de la vida.

Hasta ahora conocemos solo una forma de vida planetaria, la de laTierra. De ella sabemos que tiene un origen común, como vimos antes.Es posible que encontremos formas de vida en varios lugares de nues-

EL HOMO SAPIENSEl origen del hombre se inicia conlos primeros mamíferos de hace 200millones de años. La evolución delos primates se orientó por la vistamás que por el olfato.

Nuestros ancestros los simios seconvirtieron en primates hace 35millones de años. La primera adap-tación de éstos fue el andar bípedopara mirar sobre las hierbas altas ytener libres los brazos y las manospara usar herramientas y armas.

Nuestro cerebroSe triplicó de volumen desde hacevarios millones de años. La capaci-dad para fabricar herramientas yarmas se relaciona con el tamaño yla complejidad del cerebro.

El aumento del cerebro se producedebido a las complejas interrela-ciones al vivir en comunidades.Las mujeres escogían hombres decerebros grandes y los hombresmujeres de caderas anchas.

Evolución humanaComienza hace cerca de nuevemillones de años. Unos simios afri-canos se diferenciaron en gorilas,chimpancés y humanos.

La línea evolutiva comienza con losAustralophitecus, los Homo habilisy los Homo erectus.

El primero en salir de África hacemás de un millón de años fue elHomo erectus, luego losNeanderthal llegaron a Europa.

Características humanas La comunicación mediante el len-guaje, el utilizar la voz para cantar,la construcción de herramientas, elfuego para protegerse del frío y delos animales; buscar cuevas, lalucha contra otros humanos; coci-nar los alimentos, buscar plantas yhierbas para comer y como medi-cinas.

AntropocentrismoLas religiones judeocristianasponen a los humanos como el cen-tro y objetivo de la creación divina.El antropocentrismo es la idea deque toda la creación divina es paralos humanos. El Homo sapiens norepresenta la cúspide del procesoevolutivo. La dominación de lanaturaleza no puede continuar.

Desarrollo humanoLos cambios en las manos y loscentros cerebrales fueron determi-nantes para la evolución. El cultivode las variedades más resistentesproducía mejores semillas.Domesticaron animales para tenerrebaños de cabras, ovejas y otrosanimales de carga y para arar.Las viviendas eran cuevas o chozas de carrizo o madera.

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Capítulo 2

tro sistema planetario, una posibilidad es en la lunaEuropa de Júpiter que tiene un tamaño similar a nuestraLuna. Europa tienen toda su superficie de hielo, que pro-bablemente flota sobre un océano de agua líquida. Losastrobiólogos consideran que Europa puede ser un can-didato para tener alguna forma de vida. (Tyson Pag. 265-270)

EL HOMO SAPIENSEl origen del hombre se inicia con los mamíferos

hace sesenta y cinco millones de años, después de laextinción de los dinosaurios en el gran continente lla-mado Pangea, que era la unión de varios de los conti-nentes actuales. En esta época empiezan a aparecer lasplantas con flores y frutos. “Los primeros primates y simiosfueron los descendientes de unos mamíferos comedores deinsectos, se parecían mucho a los lémures actuales, con los ojosmuy grandes en la frente y una nariz muy pequeña. Es decir, la

evolución se fue por el camino de la vista y no del olfato en el caso de los primates.”Estos fueron los primeros mamíferos en comer frutas, los otros continuaron alimentándose de

insectos. Este cambio dio lugar a unas modificaciones muy importantes en la anatomía de nuestrosancestros. Por ejemplo, “el cuerpo de estos primates adquirió la clavícula, que no tenían los otros mamíferos de esaépoca. Esto les permitió abrazar mejor los troncos de los árboles y trepar más fácilmente. Las garras se transformaronen uñas y el pulgar se oponía al resto de dedos, de tal manera que podían manipular los palos, huesos o piedras que seconvirtieron luego en herramientas y en armas.”

Los simiosNuestros ancestros los simios se dividie-

ron del resto de primates hace unos treinta ycinco millones de años cuando en el este deÁfrica cambió el clima y se produjo una tre-menda sequía. Por esta razón desaparecieronpaulatinamente los bosques tropicales de estasregiones y fueron reemplazados por las sabanasen donde tuvieron que adaptarse para sobrevi-vir. La primera adaptación fue el caminarbípedo para poder mirar sobre las hierbasaltas lo que pasaba en los alrededores y no seratacados por los leones, tigres y demás felinos.Al tener libres los brazos y las manos pudieronmanipular objetos y elaborar armas y utensiliospara defenderse o atacar.

Pronto se dieron cuenta que podíandefenderse mejor si formaban grupos y viví-an juntos y de esta manera aparecieron losprimeros clanes y tribus bien organizados enlos que necesariamente debieron aprender acomunicarse por medio de ruidos y movimien-tos de las manos. El ancestro común entresimios y humanos son los Australopitecos, que vivieron en el centro y sur de África hasta haceaproximadamente un millón de años. El andar bípedo produjo una serie de modificaciones en el

Figura No. 2 - 16 El fuegoFuente: http://www.serviguianet.com/Miscelaneas/curiosidades4.htm

Figura No. 2 - 17 Características humanasFuente: http://www.dkimages.com/discover/previews/942/664684.JPG

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esqueleto y la parte inferior de la columna vertebral, la pelvis y las piernas, que se pueden obser-var en los fósiles descubiertos.

El cerebro y la inteligencia “Nuestro Cerebro triplicó su volumen desde hace varios millones de años; este proceso se inicia probable-

mente con el andar bípedo. La capacidad humana para fabricar y utilizar herramientas y armas tiene una rela-ción directa con el tamaño y la complejidad del cerebro, el volumen de la masa encefálica ha aumentado a lo largodel proceso de hominización, lo que puede relacionarse con los cambios en la conducta de los homínidos.” A lolargo de los años, las herramientas se incrementaron poco a poco en número y complejidad. Esprobable que el aumento del tamaño del cerebro humano se haya producido como una res-puesta evolutiva a las complejas interrelaciones que se dieron al vivir en comunidades ytener que fabricar utensilios, herramientas y armas cada vez más sofisticados y complejos.Pero lo más importante en este proce-so fue sin duda la necesidad de desa-rrollar una serie de estrategias parapoder sobrevivir durante las glaciacio-nes: como vivir en comunidades o cla-nes, mantener el fuego, habitar en lascavernas y demás lugares para prote-gerse del frío y cazar en grupos a losgrandes animales. En este procesoevolutivo del Homo sapiens, el desa-rrollo del cerebro, la mente y la inteli-gencia juegan un papel preponderante.Dice Lyn Margulis que: “El creci-miento del cerebro: ...se reforzó con las ideasde la fertilidad, es decir, mujeres de caderasy nalgas anchas, que suponían un canal cer-vical más ancho para engendrar individuoscon un cerebro mayor. Las mujeres escogíanhombres de cerebro grande, y los hombresde cerebro grande escogían mujeres de cade-ras anchas iniciándose así un sistema deauto refuerzo…”

Se cree que el predominio de lamano derecha proviene de la época enque las mujeres iban solas en busca dealimentos y llevaban a sus hijos sujetados conla mano izquierda, de modo que sólo podíanutilizar la mano derecha. Casi todos los mamíferos al terminar la lactancia pierden la capacidad dedigerir la lactosa, la cual resulta perjudicial para la mayoría de los adultos. Pero ciertos gruposhumanos, especialmente los indoeuropeos, uránicos y semíticos desarrollaron las condicionespara continuar bebiendo leche, gracias a una mutación que se produjo en Mesopotamia hace unos8.000 años. Este cambio permitió el desarrollo de la ganadería, como una fuente de proteína ani-mal que no requería matar al animal.

Características humanas Lynn Margulis afirma que: “no es posible encontrar restos de la especie humana de más de unos cuan-

tos cientos de miles de años, sin que se pierdan de vista los caracteres que consideramos propios de los humanos:la comunicación mediante el lenguaje, el utilizar la voz para cantar, la construcción de herramientas, el aprove-chamiento del fuego para protegerse del frío y de los animales salvajes, la construcción de viviendas y la luchacontra otros grupos de humanos”.

Figura No. 2 - 18 El hombre, la medida de todas las cosas.Fuente: http://www2.ubu.es/histgeo/photos/vitrubio.jpg

Lo más significativo en la evolución del comportamiento humano es sin duda el desa-rrollo de la capacidad para hablar, comunicar ideas y conceptos abstractos y la confec-ción de armas y herramientas. La habilidad para usar herramientas también se observa enotras especies; existen buitres que usan las piedras para romper huevos de avestruz al lanzar-los desde las alturas, y las nutrias de mar usan piedras que las ponen sobre su pecho cuandonadan de espaldas, para abrir almejas u ostras. También se ha observado a los chimpancés sal-vajes usando ramitas de los árboles sin hojas para extraer las termitas de sus nidos.

Los procesos para confeccionar herramientas produjeron individuos expertos en distin-tas actividades fundamentales para la supervivencia de la especie, como la caza, la pesca,crear trampas para atrapar animales, hacer fuego y cocinar los alimentos, detectar las plan-tas y hierbas que eran adecuadas para la alimentación y como medicinas; buscar cuevas yotros lugares habitables para evitar el frío y poder defenderse de las fieras.

AntropocentrismoComo la rotación de la Tierra

alrededor de su propio eje tiene unarapidez constante, no es posible sentireste movimiento ya que sólo se puedesentir el movimiento acelerado. Poresta razón parece que la Tierra está enreposo y que el Sol es el que gira alre-dedor de la Tierra todos los días. Desdeque aparecieron las religiones judeocris-tianas en las cuales los humanos somosel centro y objetivo de la creación divi-na, aparece el antropocentrismo quees la idea de que toda la creación divi-na es para los humanos. Estas ideas sedifunden con gran rapidez por todas lasreligiones, civilizaciones y culturas.Antes de Copérnico, se creía que laTierra era el centro del universo yque, además, el ser humano, por ser laobra maestra del creador, tenía queser biológicamente superior a todoslos demás animales, ya que fuimoscreados a su imagen y semejanza.

Pero ahora sabemos que el Homosapiens no representa la cúspide del pro-ceso evolutivo. Aquellos que hablan ennombre del interés especial de la humani-dad no aciertan a ver las interdependen-cias de la vida en la Tierra. La evoluciónno es simplemente una preparación para que llegue el ser humano a dominar y disfrutar de lanaturaleza del planeta Tierra y del Universo. Necesariamente tenemos que apropiarnos de otrosorganismos y utilizarlos para poder sobrevivir, especialmente cuando la población humanaalcanza ya cifras extraordinariamente grandes, más de seis mil millones de seres.

“Es indudable que este enfoque de dominación sobre la naturaleza, como está siendo practicado desdehace algunos miles de años atrás, no puede continuar por mucho tiempo más. Tenemos que modificar estaserie de conceptos y visiones antropocéntricas para poder asegurar la sostenibilidad de las civilizacioneshumanas,” como veremos en el capítulo doce. Nos hallamos en una etapa de dominación totaldel planeta Tierra, y tenemos que moderarnos, aprender a compartir y respetar a la naturaleza

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Capítulo 2

Figura No. 2 - 19 El subdesarrollo humano.Fuete: http://www.mdp.edu.ar/rectorado/secretarias/investigacion/nexos/19/mujer1.jpgnte: Guayasamin.

y a los otros seres vivos “si queremos mantener nuestra presencia evolutiva y evitar el colapso ecológi-co.”

Desarrollo humanoSabemos por medio del ADN mitocondrial, que hace unos cien mil años, desde

África oriental salió un grupo humano de aproximadamente unas trescientas perso-nas. Estos eran nuestros antepasados directos de toda la raza humana. Por medio del ADNmitocondrial hemos podido determinar que todos los seres humanos procedemos de estemismo grupo, muy pequeño. Todos provenimos de siete mujeres de este grupo, lassiete Evas del Génesis.

Los cambios en las destrezas de las manos y de los centros cerebrales fueron determinan-tes para los procesos de la evolución de los humanos. Hace 10.000 años se produce la primerarevolución neolítica, una revolución agrícola en la que aparecen los primeros agricultores envarias regiones geográficas: Irak, Irán, Israel, Jordania, Siria y Turquía; en el sureste asiático,en la actual Tailandia; en África, a lo largo de río Nilo en Egipto; y en Europa, en las márgenesdel río Danubio, en Macedonia, Tracia y Tesalia. También en el área del río Amarillo, en China;en el valle del río Indo, en India y Pakistán; y en el extenso valle de México. El agricultor empe-zó fijándose que ciertas plantas salvajes eran comestibles o útiles de algún modo y aprendien-do a recolectar semillas para replantarlas en terrenos despejados quemando los bosques; el cul-tivo durante un largo período de tiempo de las variedades más resistentes producía mejoressemillas.

Domesticaron animales salvajes para tener rebaños compuestos de animales domés-ticos como cabras, ovejas, caballos y otros. Aquellos que presentaban los caracteres másdeseables, tales como cuernos pequeños y una elevada producción de leche, eran criados enforma selectiva. Las cosechas y el suministro propio de carne eran complementados por lapesca y la caza de aves, así como por la carne de animales salvajes. Las viviendas eran en sumayor parte cuevas pequeñas o chozas de adobe secado al sol, carrizo o madera. Formaronpequeñas aldeas o existían en viviendas aisladas rodeadas de campos, protegiendo a losanimales domesticados. En el neolítico estas comunidades se auto-organizan y surgenlas primeras ciudades como Jericó, en una zona muy adecuada para la producción agrí-cola. Luego aparece la rueda y con ésta los sistemas de transporte y con el procesa-miento de los metales se aceleran las innovaciones en la agricultura y en la confección detodo tipo de utensilios y armas y se inician de esta manera las civilizaciones antiguas. Elsiguiente periodo histórico conocido a través de la información escrita y dibujada estuvodedicado a mejorar las técnicas ya existentes. El perfeccionamiento de las herramientas y elequipamiento fue de especial importancia; las herramientas de metal eran más duraderas yeficaces y el cultivo se vio impulsado gracias a la ayuda de útiles como el arado tirado porbueyes equipado con una reja formando una palanca metálica.

Los sistemas de irrigación usados en China, Egipto y Medio Oriente permitieronexplotar una mayor superficie de tierra y mejorar notablemente la producción de ali-mentos. Los griegos fundaron con su vasta cosmo-visión un nuevo modelo de cultura. Greciarealiza una verdadera revolución de la arquitectura y la escultura, con las columnas y las edi-ficaciones más espectaculares de la antigüedad, al combinar el cerebro y la mano para crearlas ideas y conceptos más avanzados de la época, pero al mismo tiempo para crear el arte y labelleza más impresionante de su tiempo con sus diseños en metales, piedra y marmol.

La evolución del hombre continúa con el desarrollo de la metalurgia, al lograr meta-les más duros que pudieron ser afilados como el bronce y posteriormente el hierro y elacero en Japón. La alquimia nació en el antiguo Egipto: los alquimistas creían que existía unaafinidad entre el cuerpo humano y la naturaleza. Estos conocimientos fueron inicialmente secre-tos, pero luego esto cambia y son rápidamente divulgados y aceptados por las comunidades,más que nada en la medicina. De esta manera continúa el desarrollo de las civilizaciones y dela humanidad, pero con un alto costo para la naturaleza. Podemos estar casi seguros que den-tro de aproximadamente un millón de años, nuestra especie será sustituida por una o dos

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especies descendientes nuestras o por ninguna. Sabemos que las especies que están al bordede su extinción suelen reproducirse con gran profusión. Cuando sobrepasemos el reino físicodel artefacto, o soporte biológico y lleguemos a los procesos de información o soporte lógico,los cambios en nuestra civilización serán aún más sorprendentes. Podemos detectar ya un enor-me progreso de los sistemas de percepción y de recepción de información humana. Este pano-rama tan incierto es algo que debemos tratar de explorar y para esto es indispensableestudiar el futuro de la vida, de las civilizaciones y de la ciencia, temas que se tratan enlos últimos capítulos.

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Capítulo 2

Figura No. 2 - 20 El método científico.Fuente: http://web.educastur.princast.es/proyectos/grupotecne/archivos/investiga/114esquem14.gif

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El origen de la Ciencia.1. ¿Qué pensaba Tales de Mileto respecto al universo?2. ¿Cuál es la contribución más importante de Pitágoras al pensamiento científico?3. ¿Cuál es la contribución más importante de Euclides al pensamiento científico?4. ¿Cuál es la contribución más importante de Demócrito al pensamiento científico?5. ¿Qué idea tenía Demócrito sobre la materia?6. Explica los principios de causalidad en la naturaleza, según Aristóteles.7. ¿En qué consistía la aporía de Aristóteles?8. Explica los principales errores de los planteamientos de Aristóteles.El origen del Universo.9. ¿Cuál era la concepción de San Agustín respecto al universo?10. ¿Cuáles son los planteamientos básicos sobre el Big Bang?La Evolución de la Vida.11. ¿En qué consisten los planteamientos de Oparin sobre el origen de la vida

en la Tierra?

12. ¿Qué son procariotas y eucariotas?13. ¿En qué consiste el planteamiento de Maturana y Varela sobre el origen de la vida?El Homo sapiens.14. ¿Cuáles fueron las ventajas al desarrollarse el desplazamiento bípedo

en los primates?15. ¿Qué relación existe entre el tamaño y complejidad del cerebro, por una parte,

y la habilidad manual de los primates, por la otra?16. ¿Solamente nuestros ancestros remotos tenían habilidad para elaborar y usar

ciertas herramientas o la tienen también otros animales?17. ¿En qué consiste el antropocentrismo?La idea del cosmos.18. ¿Cómo serían las características esenciales de un Homo photosyntheticus?19. ¿Qué consecuencias tiene el principio de autoorganización de la vida?

PREGUNTAS DE REPASO

PREGUNTAS DE REFLEXION1. La ciencia nos dice que lo que hoy conocemos como

universo se originó a partir del Big Bang. Explica sieste evento significa una gran explosión o algo dife-rente.

2. Sabemos que toda la materia que ahora se encuentraen el universo proviene del Big Bang. Sin embargo,no todos los átomos de los que estamos compuestosexistían ya en aquel momento. Explica con tus pala-bras cómo es esto posible.

3. Creemos que la geometría se inició con los egipciosque necesitaban medir terrenos para pagar susimpuestos y definir límites. Comenta acerca de lostipos de instrumentos de medición que se podríahaber usado en esa época para realizar los cálculosnecesarios.

4. En la antigüedad, genios como Aristóteles afirma-ban que la Tierra se encontraba en el centro del cos-mos. ¿Cómo se descubrió que la Tierra en realidadgiraba alrededor del sol?

5. Da tu opinión acerca de por qué los antiguos creíanque la rapidez de los cuerpos al caer era directamen-te proporcional a sus tamaños o pesos.

6. La cosmología es una ciencia que tardó muchossiglos en desarrollarse. ¿Qué inventos o descubri-

mientos crees que fueron claves para el desarrollo deesta ciencia?

7. Un concepto que puede resultar difícil de definir esla vida. Usa tus propias palabras para describir quées la vida.

8. Se dice que un punto clave de la evolución de nues-tros antepasados mamíferos sucedió hace aproxima-damente 65 millones de años, cuando se extinguie-ron los dinosaurios que poblaban la Tierra. ¿Quécondiciones se dieron en esa época que favorecierongrandemente el desarrollo de mamíferos?

9. Desde tiempos ancestrales, los humanos hemos cre-ído que somos seres superiores, cumbre de la evolu-ción, con derecho de dominar el mundo y la natura-leza a nuestra conveniencia. ¿Cómo ha afectado estavisión antropocentrista el modo de vida que lleva-mos y cómo puede afectar al futuro de nuestra espe-cie y del planeta?

10. En este capítulo vemos que el futuro y la supervi-vencia de la raza humana pueden depender de nues-tra utilización de recursos como la ingeniería gené-tica y la inteligencia artificial. ¿Cómo pueden estasherramientas ayudar en la conservación de nuestraespecie?

BibliografíaBERTALANFFY LUDWIG. Teoría general de los Sistemas. Fondo de Cultura Económica. México. 1986.CAPRA FRITJOF. Las Conexiones Ocultas. Editorial Anagrama. Barcelona. 2003.CAVALIER ROBERT, LURIO ERIC. Platon, Era Naciente, Buenos Aires, 2000.DARWIN CHARLES. The Origin of Species. HARVARD CLASSICS P.F.Collier and Son Corporation. New York. 1937GANGUI ALEJANDRO El Big Bang. La Génesis de nuestra Cosmología Actual. Editorial Universitaria, Buenos Aires, 2005 MARGULIS LYN, SAGAN DORION, Microcosmos, Barcelona, Planeta, 1998MILLER JONATHAN, VAN LOON BORIN. Darwin. Era Naciente SRL . Buenos Aires. 2002MATURANA HUMBERTO, VARELA FRANCISCO. El Árbol del Conocimiento: Las bases biológicas del conocimiento humano.

Madrid: Editorial Debate, 1990OPARIN ALEXANDR. El Origen de la Vida. Panamericana Editorial Ltda.. Bogotá. 2003RANKIN WILLIAM. Newton. Era Naciente SRL. Buenos Aires. 1995.SAGAN CARL Y DRUYAN ANN. Sombras de Antepasados Olvidados. Editorial Planeta, Bogotá. 1993.TREFIL JAMES, HANZEN ROBERT M. The Sciences, An Integrated Approach, New York, John Wiley & Sons, Inc. 2001.TYSON DE GRASSE NEIL, GOLDSMITH DONALD. Origins, Fourteen Billion Years of Cosmic Evolution. W.W. Norton, New York 2004.WOODFIN RUPERT Y GROVES JUDY. Aristóteles para principiantes. Era naciente, documentales ilustrados. Argentina. 2002.

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Capítulo 3

INTRODUCCIÓN

En Cuernavaca, México, no existen horarios para los buses en las paradas, como sucede en variospaíses europeos, sin embargo, se puede observar un extraño orden en los itinerarios de los buses.Petr Seba un físico de la Academia de Ciencias de la República Checa, descubrió en un estu-

dio sobre los buses de Cuernavaca que “éstos se mueven de manera similar a las partículas subatómicas y queel desorden que se observa sirve muy bien a los usuarios de los buses.”

Los choferes son los dueños de las unidades, lo cual implica que ellos compiten por los pasa-jeros, ajustándose al tráfico caótico de la ciudad y a la demanda momentánea de servicio. Elmovimiento resultante es muy similar al que describen las ecuaciones sobre el movimiento y ladistribución de partículas subatómicas conocido como “caos cuántico”. Dice Petr que “los itine-rarios de los autobuses funcionan porque el sistema se auto organiza. El sistema de buses de Cuernavaca esmucho más eficiente para los pasajeros que los buses en horarios fijos, que de todas maneras no podrían funcio-nar en un sistema de transporte con los complejos problemas de tránsito de esta ciudad.” Este es uno de losmejores ejemplos de auto-organización y nos demuestra cómo ésta es la fuente de orden en el uni-verso.

Carl Sagan, en su libro Cosmos, afirma que después de muchos miles de años de tratar, hemos des-cubierto una manera eficaz y elegante de comprender el Universo: un método llamado ciencia. Los descu-brimientos de la ciencia de los últimos cien años nos han revelado un cosmos con una enor-me organización y en expansión permanente. Es precisamente nuestra capacidad de asom-brarnos la que nos motiva a tratar de percibir y comprender esta maravillosa organización.

Algo interesante de este proceso llamado ciencia, es que hemos descubierto el alcance denuestro intelecto y los límites que tenemos. También hemos logrado determinar que somoscapaces de comprender esta organización tan grandiosa, pero que no todo lo podemos compren-der. Con toda razón dijo el filósofo romano de origen ibérico, Séneca: “Nuestro universo sería unacosa muy limitada si no ofreciera a cada época algo que investigar…La naturaleza no revela sus misterios de unavez para siempre…Muchos son los descubrimientos reservados para las épocas futuras, cuando se haya borradoel recuerdo de nosotros”

Lo maravilloso de todo este viaje por la ciencia, es que somos unaespecie que gracias a su enorme curiosidad ha desarrollado la capaci-dad de percibir y razonar sobre lo que nos rodea. Uno de los enigmasmás grandes de la ciencia es el descubrimiento de que una creaciónhumana, las matemáticas, mantiene una relación increíblemente estre-cha y exacta con la realidad que percibimos de la naturaleza.

Cualquier ciencia moderna necesita desarrollar modelos de la rea-lidad para poder entender la enorme complejidad del cosmos y de lanaturaleza. Solamente con los modelos cosmológicos que se han desa-rrollado desde la antigüedad ha sido posible entender poco a poco laenormidad de los cielos y del universo. En un principio estos modeloseran bastante simples, sin embargo explicaban razonablemente algu-

3EL ORDEN DEL UNIVERSO

Las reglas impiden el desarrollo del pensamiento creativo, precisamente porque siempre parecencorrectas

ALBERT EINSTEIN

La emergencia del orden

EL ORDEN DEL UNIVERSO

• Carl Sagan dice que: hemos des-cubierto una manera eficaz y ele-gante de comprender el universo: unmétodo llamado ciencia

• Gracias a nuestra curiosidadhemos desarrollado la capacidadde observar, percibir y razonarsobre lo que nos rodea

• La ciencia necesita crear mode-los de la realidad para entender lacomplejidad del cosmos.

RREESSUUMMEENN

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nas peculiaridades como los movimientos extraños de los planetas. En ese entonces se considerabaque la Tierra era el centro del cosmos conocido, de modo que el Sol y el resto de planetas, así comolas estrellas, giraban en torno a ella.

EL DISEÑO DEL UNIVERSOEl orden, la complejidad y la belleza del universo no son creaciones de una deidad, son el

resultado de la evolución de un Universo complejo en el cual se acumularon cambios e infor-mación a través de procesos emergentes en largos períodos de tiempo. Estos procesos fueronposibles debido a la capacidad de auto-organización inherente a la materia y energía. Con el trans-curso del tiempo, el Universo evoluciona formando una comunidad de galaxias, estrellas, planetas,cometas, agujeros negros y demás nubes estelares y cuerpos celestes perfectamente auto-organiza-dos.

Desde la época de los griegos, los filósofos han imaginado que el orden no puede ser pro-ducto de la casualidad; sin embargocasi dos mil años después el obispoanglicano William Paley promulga-ba que el universo debe tener undiseñador. En su libro publicado en1802 pretendía probar la existencia deDios, de la siguiente manera: “Al cruzarun páramo, supongamos que me golpeo el piecontra una piedra y si me preguntara cómollegó esa piedra a ese lugar, posiblemente,contestaría que siempre estuvo allí. No seríafácil demostrar lo absurdo de esta respuesta.Pero supongamos que encontrara un reloj enel suelo, y me preguntara cómo llegó a eselugar, la primera respuesta no sería posible.”Mediante este contraste, el obispo pre-tende probar que las cosas complejascomo un reloj no pueden ser productode la naturaleza, y por lo tanto debeexistir un creador que diseñó todo loque conocemos en el cosmos.

El argumento del diseño que asu-men muchas personas, solamentepuede probar que el universo tuvo undiseñador, no obstante nada dice acer-ca de quién lo diseñó o cuáles eran las habilidades de ese diseñador. De igual forma, “el argu-mento del diseño no explica el propósito o la función de las creaciones. Si los humanos son el objetivo de la cre-ación, Dios debió diseñar el mundo para que sea nuestra salvación, pero si este es el caso; por qué tanta des-gracia, problemas y dificultades.” En esa misma línea de pensamiento, muchos escépticos han seña-lado que el dolor y la maldad prueban que no existe tal diseño y se dice que en caso de existirun diseñador, deberíamos poder contestar adecuadamente a los siguientes aspectos:

• El universo debió haber sido diseñado de tal manera que la vida humana inteligente emerja lo antes posi-ble. Pero no fue así, aparecimos sólo al final de casi catorce mil millones de años, y por una enorme coinci-dencia del azar que se produjo cuando un asteroide enorme chocó contra la Tierra hace sesenta y cinco millo-nes de años y eliminó prácticamente a los dinosaurios que dominaban la Tierra.

Figura No. 3 - 1 Diseño inteligenteFuente: http://www.astrosafor.net/Huygens/2004/51/BigBang.jpg

• No debería existir una abundancia masiva de sistemas solares y galaxias enel Universo. Si el hombre es el objetivo de Dios, entonces es suficiente connuestro planeta y un sistema solar, pero existen trillones de galaxias y cada unade estas con billones de estrellas. Se afirma que por cada grano de arena en laTierra hay diez estrellas en el universo ¿para qué tanta abundancia?

• No debió dejarse a los caprichos de la evolución el surgimiento de lahumanidad. Si el objetivo del creador era la humanidad, ¿por qué el sur-gimiento de nuestra especie se ve sujeto a procesos de cambios evolutivosque hacen que aparezcamos sólo en los últimos cien mil años cuando laTierra tiene un período de formación de más de cuatro mil quinientosmillones de años?

• El universo debería ser favorable a la persistencia de la especie humana, nosólo a su surgimiento. Sin embargo, es posible que en cualquier momento desa-parezcamos como especie ya que un evento como el choque de un asteroidegrande o un cometa contra la Tierra puede volver a suceder.

Los argumentos de la creación y del diseño asumen que no exis-ten otros mecanismos con los cuales el orden puede surgir espontá-neamente del desorden. Hoy sabemos que esto no es verdad, exis-ten explicaciones muy bien conocidas y demostradas científicamen-te de que sí hay otras maneras de explicar la aparición de la vida.Como vimos en el capítulo anterior, “las reacciones catalíticas permitenque una sustancia ayude para que se formen otros compuestos, la auto-organi-zación, la auto-poiesis y la co-evolución son procesos,” que como veremosen detalle en los capítulos siguientes, permiten la emergencia desistemas ordenados como la vida.

La ciencia ha probado que en los cuerpos celestes como nuestro planeta, los materialesquímicos pueden convertirse en sistemas biológicos en el lapso de unos cuantos cientos demillones de años, siempre que las condiciones sean favorables. Para esto, como vimos antes,se requiere de una serie de elementos como carbono, hidrógeno, oxígeno, nitrógeno, además dela energía suficiente del Sol, para que se produzca la auto-generación de la vida. “Las cosas conun diseño aparente surgen de cosas que carecen de diseño. La gravedad es sin duda el mayor creador de ordenen el Universo, ya que permite formar los cuerpos celestes y especialmente las estrellas que son la fuente de ener-gía necesaria para la vida.” La energía y la materia poseen la capacidad de auto-organización,

de modo que muchos sistemas físicos y químicosque no poseen vida, como las macromoléculas, tie-nen la capacidad de auto-organizarse y generarorden a partir del caos. La cosmología

Hay muchas cosas maravillosas que podemos des-cubrir simplemente mirando el cielo en una noche des-pejada, alejados de las luces de las ciudades. Desde laantigüedad los astrólogos y astrónomos pasaban susvidas mirando y tratando de interpretar lo que obser-vaban en el cielo. Una de las maravillas del cielo des-pejado es la posibilidad de admirar a simple vista unapequeña parte de la Vía Láctea, nuestra galaxia; contodo el esplendor que brindan los billones de estrellasque la iluminan. Nuestros antepasados notaron que los

73

Capítulo 3

EL DISEÑO DEL UNIVERSO

• El orden, la complejidad y labelleza del universo son el resul-tado de la evolución hacia un uni-verso complejo.

• El argumento del diseño no dicequién lo diseñó, las habilidades deldiseñador, ni su propósito.

• Las cosas complejas con un dise-ño aparente surgen de cosas sim-ples que carecen de diseño.

LA CAUSALIDAD• Hay muchas cosas maravillosasque podemos descubrir simple-mente observando.

• La palabra cosmos proviene delgriego y significa orden.

• La cosmología requiere de laastronomía, la relatividad, termo-dinámica, hidrodinámica, físicaatómica, física nuclear, físicacuántica, astrofísica y teoría decuerdas.

Las reglas de la causalidad:

Debemos aceptar sólo las verda-des suficientes y a los mismosefectos debemos asignar las mis-mas causas.

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Figura No. 3 - 2 La Vía LacteaFuente: http://www.diomedes.com/universo_1.htm

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cuerpos celestes y los planetas se mueven lentamente, debido a estolos antiguos griegos los llamaron planetas, palabra que se derivadel griego y significa caminantes o trashumantes.

Cada cultura ha tenido razones profundas para observar el cieloy hacerse preguntas sobre su origen, significado, razón de ser, pasa-do y futuro. La palabra cosmos proviene del griego y significaorden. En la mitología griega existe una leyenda que afirma que “elcaos se casó con la noche y a partir de esa unión nace el cosmos, el orden delcielo y los dioses del Olimpo.” Los intentos de los cosmólogos para tratarde entender el Universo dan lugar al desarrollo de una nueva cienciaque actualmente se conoce como cosmología y de la cual hablaremosen el capítulo diez.

Espacio y tiempoLos antiguos griegos Demócrito y Epicuro defendían la hipóte-

sis de quee l

Cosmos estaba formado de materia yvacío. Tenían razón, hoy sabemos quelo más abundante en el Universo es elvacío. Como dice Sagan: “El únicolugar normal es el vacío vasto, frío y univer-sal, la noche perpetua del espacio interga-láctico”. En esta inmensidad se hallanesparcidas por doquier las galaxiasque están compuestas de millones deestrellas, cada una de ellas puede tenera su alrededor varios planetas, de talmanera que existe una enorme posibi-lidad para el surgimiento de la vida enla inmensidad del Cosmos. Lo que esmenos probable es que esas formas devida hayan alcanzado un nivel de vidainteligente.

En su obra maestra, PrincipiaMathematica, Newton describe al

c o s m o scomo: “Elespacio absoluto, por su propia naturaleza y sin relación con nada externo, per-siste por siempre, inmutable e inmóvil…El verdadero tiempo, absoluto y mate-mático, por sí mismo y por su propia naturaleza, fluye uniformemente sin rela-ción con nada externo.” Con esto quería decir que el espacio era planoe infinito bajo cualquier condición y que el tiempo no varía y trans-curre uniformemente en todo el universo.

Estos conceptos fueron criticados desde un principio porLeibniz y hoy sabemos que tenía razón. Leibniz profetizó: “Yo con-cibo el espacio como algo puramente relativo, como lo es el tiempo.” Ahorapodemos comprobar según la teoría de la relatividad de Einstein quelo que postulaba Leibniz era correcto.

Espacio y Tiempo

• Sagan: “El único lugar normal es elvacío vasto, frío y universal, lanoche perpetua del espacio interga-láctico”

• Newton “El espacio absoluto, porsu propia naturaleza y sin relacióncon nada externo, persiste por siem-pre, inmutable e inmóvil…..”

“El verdadero tiempo, absoluto ymatemático, por sí mismo y por supropia naturaleza, fluye uniforme-mente sin relación con nada exter-no”

• Leibniz “Yo concibo el espaciocomo algo puramente relativo, comolo es el tiempo”.

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La Estructura del Cosmos

• La ciencia se ocupó casi exclusi-vamente de las estructuras y node su formación.

• Huxley: “Lo conocido es finito, lo desconocido infinito….Estamos en una pequeña isla en medio de un océano ilimitado de inexplicabi-lidad.”

• Einstein: ¨la relatividad pruebaque la aseveración de Leibniz escorrecta, el espacio y el tiempo sonrelativos, no absolutos.¨

• El universo se compone de 5%de materia ordinaria, 25% demateria oscura y 70% de energíaoscura.

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Figura No. 3 - 3 Espacio-tiempo de EinsteinFuente: http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2005/images/gpb/vortex1_crop.jpg

La estructura del cosmosDurante mucho tiempo la ciencia se ocupó casi exclusivamente de la configuración de las

estructuras y no de su formación. El interés en investigar esta última cuestión es reciente. Sino se quiere explicaciones que apelen a una fuerza sobrenatural o a actos divinos, es necesa-rio que los científicos aclaren los procesos que dan lugar a su formación y generación autó-noma, dicho de otro modo, su auto-organización. En el siglo XIX Thomas Huxley decía:“Lo conocido es finito, lo desconocido infinito….Estamos en una pequeña isla en medio de un océano ili-mitado de inexplicabilidad. Nuestra tarea en cada generación es recuperar algo más de tierra”. Para laciencia, el mundo de las cosas se convierte en el mundo de las estructuras y del orden some-tido a leyes universales. No obstante las estructuras de los seres vivos son más que nada fun-cionales y caprichosas. Nos admiramos de los movimientos cíclicos y ordenados, como porejemplo del movimiento de los astros, el trote de un caballo o la gracia de una danza deballet. Sin embargo la sociedad se ordena conforme a condicio-nantes diferentes, muchas veces incomprensibles para nosotroscomo son los avatares de los sistemas políticos, ideológicos ysociales, que no son explicables mediante las ciencias clásicas.Para entender estas estructuras complejas exploraremos eldesarrollo de las nuevas ciencias de la complejidad en el capí-tulo once.

Con la teoría de la relatividad, Albert Einstein probó queel espacio y el tiempo son relativos, no absolutos como lo dijoNewton. Además la relatividad predice que el universo debeexpandirse o contraerse. Una década después y utilizando poten-tes telescopios Hubble confirmó que la idea del universo enexpansión es una realidad.

Las ecuaciones de la física cuántica indican que en el vacíodebe existir algún tipo de energía que actúa en contra de la gra-vedad, permitiendo que el universo continúe expandiéndose cadavez más rápido; a esta energía se le llama energía oscura. El otro descubrimiento funda-mental que se ha hecho recientemente es determinar que el universo es plano como lo ima-ginó Newton, no obstante se deforma como un embudo en los lugares donde existen grandesmasas de materia como las estrellas o los planetas. “Según la relatividad, la curvatura del espacioestá determinada por la cantidad de materia y de energía existentes.” La materia visible que se puedeobservar no es suficiente para que sea plano, de modo que el resto debe venir de otro tipo demateria que no podemos ver, esta otra materia se denomina materia oscura.

EL NACIMIENTO DE LA MECÁNICALa mecánica es la parte de la física que describe los diferentes tipos y leyes del movi-

miento, las fuerzas y los estados de equilibrio entre los cuerpos, la cantidad de movimiento,la energía y la gravedad. Una bola que rueda, la trayectoria de las balas cuando surcan el aire,un barco flotando sobre las olas del mar, todos son asuntos que han sido estudiados intensamen-te por la mecánica.

AristótelesLa mecánica se inicia con Aristóteles “y su estudio de los movimientos naturales, como los de los planetas

y los movimientos llamados explosivos, que son causados por algún impulso o fuerza.” Aristóteles considerabaque: “Cada objeto se mueve de forma natural en línea recta, como cuando los objetos que están sobre la Tierra caenhacia abajo con una rapidez proporcional a su peso; de tal forma que los más pesados caen primero,” lo que sabe-mos que es incorrecto. Como veremos a continuación, Galileo demostró que: “la velocidad de caída esproporcional al tiempo en los movimientos acelerados.” Aristóteles creía que: “cada cuerpo busca el lugar que le

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Capítulo 3

EL NACIMIENTO DE LA MECÁNICA

• La mecánica describe las leyesdel movimiento, las fuerzas, elequilibrio, la cantidad de movi-miento, la energía y la gravedad

• Aristóteles: La mecánica se ini-cia con el estudio de los movi-mientos

• Galileo Galilei: al estudiar lacaída libre tenemos la capacidadde entender e interpretar losfenómenos como los movimien-tos, las órbitas de los planetas ylunas.

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corresponde y se detiene una vez alcanzado este lugar. Los planetas supuestamente se movían con un complejo movi-miento en epiciclos, formando círculos pequeños sobre círculos grandes,” que es lo que se observa si se midenlos movimientos planetarios desde la Tierra. Aristóteles suponía que: “estos cuerpos celestes se movíandentro de un quinto elemento que él lo llamó éter, llamado también quintaesencia, un elemento especial tan tenue que

permitía el movimiento en los cielos sin ofrecerninguna resistencia y que al mismo tiempo eratan denso que sostenía a los planetas y lasestrellas en los cielos.” En el siglo XIX secomprobó con los experimentos de doscientíficos estadounidenses, Michelsony Morley que este éter no existe y no esnecesario para nada.

Galileo GalileiEl logro más grande de Galileo

fueron sus trabajos experimentalessobre la mecánica del movimiento ylos estudios acerca del comportamien-to de los objetos en caída libre. En una

serie de experimentos prácticos Galileo demostró que: “si no seproducen diferencias por acción de la resistencia del aire, los objetos en caída libre caen con una aceleraciónconstante, independientemente de su peso”, de estamanera probó que Aristóteles estaba equivoca-do.

Para entender la forma en que los objetosse mueven en caída libre es necesario realizarmediciones muy precisas de dos variables inde-pendientes: el tiempo y la distancia. Las medi-ciones de distancias no representaban un pro-blema muy difícil para Galileo y sus contem-poráneos, sin embargo las medidas de tiemposí, debido a que no contaban con cronómetrospara medir los cortos instantes en que caían loscuerpos. Con esto en mente, Galileo construyóuna serie de planos inclinados diseñados espe-cialmente que disminuían la rapidez de la caídade los cuerpos y para medir el tiempo de caídase ingenió un aparato en que goteaba el aguadurante el trayecto.

Lo que realmente demostró Galileo es que:“con la ciencia tenemos la capacidad de entender einterpretar los fenómenos de la naturaleza y del uni-verso. Entre estos fenómenos se encuentran los movi-mientos de los cuerpos, las órbitas de los planetas alre-dedor del Sol y de las lunas alrededor de los planetas.”En su libro Diálogos sobre dos nuevas cien-cias, trata en la Jornada Primera sobre el movi-miento uniforme y en la Segunda, sobre elmovimiento acelerado. Primero define almovimiento acelerado diciendo que es “aquelque partiendo del reposo, adquiere, en tiempos iguales, iguales incrementos de rapidez”. Luego establece ydemuestra el principio de que “los grados de velocidad alcanzados por un mismo móvil en planos diversa-mente inclinados, son iguales cuando las alturas de los mismos planos son también iguales”. (Hawking,

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Las leyes del movimiento deGalileo• Rapidez: espacio sobre tiempo • Velocidad: rapidez más dirección• Aceleración: variación de lavelocidad

En un movimiento aceleradouniforme:• La velocidad es proporcional altiempo transcurrido • La distancia recorrida es propor-cional a la mitad de la aceleraciónpor el cuadrado del tiempo• La velocidad por el tiempo esigual al doble del espacio recorri-do.

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Figura No. 3 - 5 Libro de mecánica de GalileoFuente:http://paginas.fe.up.pt/demegi/imagens/galileo.gif

Figura No. 3 - 4 Galileo GalileiFuente:http://html.rincondelvago.com/files/1/1/0/000191100.jpg

Galileo Pag. 465-466) Luego en el Teorema II. Proposición II dice que: “Si un móvil cae, partiendodel reposo, con movimiento uniformemente acelerado, los espacios recorridos por él en cualquier tiempo que seaestán entre sí como el cuadrado de la proporción entre los tiempos, o lo que es lo mismo, como los cuadrados delos tiempos”. La serie de teoremas y corolarios se pueden resumir en las siguientes tres leyes sobreel movimiento acelerado:

1. En un movimiento acelerado uniforme, como cuando caen los cuerpos sujetos a la aceleración gravitato-ria, la velocidad de la caída es proporcional al tiempo transcurrido.

2. La distancia recorrida durante la caída libre en un campo gravitatorio, es proporcional al cuadrado deltiempo transcurrido.

3. En el movimiento con aceleración constante, la velocidad por el tiempo es igual al doble del espacio reco-rrido. (Hawking, Galileo Pag. 460-517)Rapidez

Para entender los resultados de Galileo, hay que entender la distinción entre los términos:rapidez, velocidad y aceleración. “Rapidez es la distancia que un objeto recorre dividido por el tiempo quele toma cubrir esa distancia”: La rapidez consta solamente de magnitud, un valor numérico y por estose le llama un escalar. La rapidez promedio de un automóvil puede ser de cuarenta kilómetroscada hora, pero no se sabe en qué dirección se mueve.Velocidad

“La velocidad es un vector por constar de magnitud y dirección. En caída libre la velocidad de un objeto es pro-porcional al tiempo que ha demorado en caer y apunta hacia el centro de la Tierra.” Un avión viaja con una rapi-dez determinada y también con una dirección específica, lo mismo ocurre con los barcos y otros sis-temas de transporte. “La velocidad cambia cuando se altera su magnitud y/o su dirección”.Aceleración

“Aceleración es la variación de la velocidad en un tiempo determinado. Cuando la velocidad cambia, se diceque un cuerpo está acelerando. Esta aceleración puede ser positiva cuando aumenta de velocidad, o negativacuando disminuye o se frena.” En el momento en que un objeto cambia de rapidez o dirección, éstese acelera. Cuando se presiona el acelerador de un automóvil, éste se acelera, si se presiona elfreno se desacelera. “Cuando un objeto tiene una trayectoria curva, dicho cuerpo está acelerando así la rapi-dez sea constante”. (Trefil y Hazen Pag. 36-37)

LAS LEYES DE NEWTONLas leyes de Isaac Newton representan una de las mayores contribuciones a la ciencia rea-

lizadas por persona alguna. Newton logró unir lo que sucedía en la Tierra con los asuntos delCielo, es decir unió lo terrestre con lo celeste; dedujo la ley de la gravitación universal, inven-tó el cálculo infinitesimal y realizó experimentos sobre óptica y la naturaleza de la luz y el color.En su ya famoso libro, Principios Matemáticos de la Filosofía Natural, comienza Newton conlas definiciones de los conceptos de masa, fuerza y movimiento, por medio de lo que él llamalas “definiciones, axiomas, proposiciones, lemas, corolarios y escolios.”

Por ejemplo, en su Definición I dice: “La cantidad de materia es una medida de ella que surge de sudensidad y volumen conjuntamente”.

En la Definición II describe la cantidad de movimiento como: La cantidad de movimiento es la medida ori-ginada de la velocidad y de la cantidad de materia conjuntamente. En ese entonces, no se conocía el concepto deenergía.

La Definición III concibe el concepto de inercia como: La fuerza ínsita de la materia es la capacidad deresistir por lo que cualquier cuerpo, por cuanto de él depende, persevera en su estado de reposo o movimientouniforme y rectilíneo. Lo que significa que la materia tiene implícita la cualidad de la inercia.

La Definición IV de la fuerza dice: La fuerza impresa es la acción ejercida sobre un cuerpo para cambiarsu estado de reposo o movimiento uniforme rectilíneo.

La Definición V dice que la fuerza centrípeta es aquella por la cual los cuerpos son atraídos o impelidos

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Capítulo 3

hacia el punto central, y su opuesta es la fuerza centrífuga que es la que haceque el cuerpo se aleje del centro.

Al comienzo de los Principia define los conceptos de espacio ytiempo como absolutos, un espacio infinito y plano y un tiempoconstante e igual en todo el Universo. “Propone diferenciar entre losmovimientos absolutos y relativos mediante la experiencia de un balde con aguaque está girando sostenido en una cuerda retorcida. Se observa que la superfi-cie del agua se curva elevándose en los bordes. Se concluye que si bien el aguase encuentra en reposo con relación al balde, la curvatura de la superficie indi-ca que el agua rota con relación al espacio absoluto.” (Hawking, NewtonPag. 651-659)La primera ley

En los Axiomas oLeyes del Movimiento delos Principia, Newtondescribe lo que ahoraconocemos como susleyes.

La Ley I dice: “Todocuerpo persevera en su estadode reposo o movimiento uni-forme y rectilíneo , a no serque sea obligado por fuerzasimpresas a cambiar su esta-do”. Luego explica lastrayectorias de los pro-yectiles que están sujetos ala resistencia del aire y a lagravedad. (Hawking.Newton Pag. 659) Como ya lo definió Galileo muchos añosantes la tendencia de cualquier objeto para mantenerse en movi-miento uniforme o en reposo se llama inercia. Un cuerpo en reposotiende a mantenerse en ese estado a menos que una fuerza supere lainercia y lo ponga en movimiento.

Antes de Newton se creía que al ser el círculo la figurageométrica más perfecta, los objetos se moverían en círculos hastaque algo interfiriese con su movimiento. Según esta idea los plane-tas darían vueltas sin necesidad de que alguna fuerza externa actúesobre ellos. Por otro lado, la primera ley de Newton postula que sise deja un objeto en reposo, éste no cambiará su estado de movi-miento, para cambiarlo hay que empujarlo o frenarlo, es decir se

debe aplicar una fuerza.“Newton fundamentó sus argumentos en las observaciones y en el trabajo de sus predecesores cambian-

do varios conceptos. Un objeto se mueve en línea recta cuando recibe un impulso; si se quiere que el objeto semueva en círculos, hay que aplicar una fuerza y al mismo tiempo sujetar el objeto.” Esto se puede lograrpor medio de una piola o de la gravedad por ejemplo, lo que permite que el objeto se manten-ga en movimiento circular mientras está sujeto. Si se suelta la piola, el objeto saldrá en una tra-yectoria recta tangencial al círculo en el que estaba girando. Esta simple observación llevó aNewton a reconocer dos diferentes tipos de movimiento: el movimiento uniforme, en línearecta y a velocidad constante y el movimiento acelerado. “La aceleración implica cambios de rapi-dez, cambios de dirección o ambos a la vez” (Trefil y Hazen, Pag. 39-40)

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LAS LEYES DE NEWTON

• La masa: la cantidad de materiaes una medida de ella, que surgede su densidad y volumen conjun-tamente. • La fuerza centrípeta es aquellapor la cual los cuerpos son atraí-dos o impelidos hacia el puntocentral• La fuerza centrífuga es la quehace que el cuerpo se aleje delcentro.

Leyes del movimientoLa Primera Ley: todo cuerpo per-severa en su estado de reposo ode movimiento rectilíneo unifor-me, a menos que sea obligado a cambiar ese estado por las fuerzas aplicadas a él.

La Segunda Ley: La aceleraciónproducida en un objeto por unafuerza es proporcional a la magni-tud de la fuerza e inversamenteproporcional a la masa del objeto.

La Tercera Ley: cuando una fuerza llamada acción es aplicada a unobjeto, este objeto simultáneamenteejerce una fuerza igual y opuestallamada reacción.

La gravitación universal• Newton: vio que una manzanacaía del árbol y que la Luna tam-bién era halada por la Tierra.• La gravitación: es una ley uni-versal que se aplica a todos loscuerpos celestes.• Entre dos objetos cualesquiera del universo hay una fuerza atrac-tiva (gravedad) que es proporcio-nal a las masas de los objetos einversamente proporcional al cua-drado de la distancia entre ellas.

Peso y gravedad El peso: es solamente la fuerza gravitatoria de un objeto localiza-do en un cierto punto de uncampo gravitatorio.La gravedad:una fuerza entre un par de obje-tos en cualquier parte del univer-so, de modo que todos los objetos del universo ejercen fuerzas losunos sobre los otros.

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Figura No. 3 - 6 Tu nunca tuviste que aprender a rela-jarte.Fuente: http://www.cartoonstock.com/lowres/cza0289l.jpg

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Capítulo 3

La segunda ley La Ley II dice: “El cambio de movimientos es proporcional a la fuerza motriz impresa y ocurre según

la línea recta a lo largo de la cual aquella fuerza se imprime”. (Hawking, Newton Pag. 659) Cuando unafuerza actúa sobre un objeto, se percibe su aceleración. Newton define a la fuerza como algo queproduce un cambio en el estado de movimiento de un objeto. La formulación moderna de lasegunda ley dice que: “La aceleración producida en un objeto por una fuerza es proporcional a la magni-tud de la fuerza e inversamente proporcional a la masa del obje-to”. Si la primera ley del movimiento de Newton indi-ca cuándo una fuerza actúa, la segunda ley revela laacción que produce la fuerza. Las leyes del movimien-to de Newton se pueden comprobar todos los días: esmás fácil empujar una bicicleta que un automóvil olevantar a un niño que a un adulto. Mientras másgrande es la fuerza, mayor será la aceleración. Porotro lado, un objeto con mayor masa adquiere unaaceleración menor que un objeto con masa inferior.Esta ley, vigente desde hace más de trescientos años,postula que si se conoce la fuerza que actúa sobre unamasa conocida, podemos predecir su futuro movimien-to, es decir su aceleración.

Esta ley confirma nuestra intuición de que la ace-leración de un objeto es un balance entre dos facto-res: fuerza y masa. La fuerza causa la aceleración,mientras más grande la fuerza, mayor será la acelera-ción. Mientras más impulso se da a una pelota, másrápido y más lejos llegará. La masa mide la cantidad de materia de cualquier objeto, de modoque mientras más grande es la masa de un objeto, mayor cantidad de materia se tiene que ace-lerar y por tanto menor efecto tendrá la fuerza. La segunda ley de Newton va más lejos al deter-minar exactamente la magnitud de la fuerza necesaria para causar una aceleración determinadaen una masa específica.

La segunda ley del movimiento no implica que toda fuerza actúe produciendo un movi-miento. Un libro sobre una mesa experimenta la fuerza de gravedad sin que por esto se mueva,ya que la mesa ejerce otra fuerza igual pero en sentido contrario sobre el libro. De igual formase puede empujar una pared sin moverla. En estas situaciones los átomos de la mesa o de lapared ejercen una fuerza contraria que equilibra a la fuerza que actúa sobre ellos. “Es solamentela fuerza neta positiva la que en realidad produce el aumento de rapidez (aceleración) o de la desaceleración(frenado).” (Trefil y Hazen, Pag. 40-41)La tercera ley

La Ley III dice: “Con toda acción ocurre siempre una reacción igual y contraria: o sea, las accionesmutuas de dos cuerpos siempre son iguales y dirigidas en direcciones opuestas”. (Hawking. Newton Pag.660) La tercera ley del movimiento de Newton expresa que cuando una fuerza llamada acciónes aplicada a un objeto, este objeto simultáneamente ejerce una fuerza igual y opuesta llamadareacción. Cuando caminamos empujamos al piso en cada paso con nuestros zapatos y el pisonos empuja de igual manera pero en sentido inverso, lo que nos permite movernos hacia ade-lante. La tercera ley del movimiento es tal vez la menos intuitiva ya que no parece evidente lareacción. Tenemos la tendencia a pensar en términos de causas y efectos; cuando por ejemplo,un carro se estrella contra una pared. En términos de la tercera ley de Newton es igualmenteválido pensar que la pared detiene al carro con una fuerza exactamente igual pero en sentidocontrario. “Las fuerzas siempre actúan simultáneamente en pares. Cuando un libro está sobre una mesa,ejerce una fuerza igual al peso del libro sobre ella, no obstante la mesa ejerce una fuerza opuesta exactamen-te igual sobre el libro.”

Todo movimiento en el Universo incluye la constante interacción de las tres leyes de

Figura No. 3 - 7 Fuerza , masa y aceleración. Fuente: http://www.profisica.cl/conceptos/Fuerza_2.jpg

Newton. Las leyes del movimiento nunca ocurren por separado. Lainterdependencia de las tres leyes del movimiento es constante.“Todo cohete, desde los fuegos artificiales, hasta las naves espaciales, funcio-nan debido a estas tres leyes del movimiento. Se produce la acción-reacción delos chorros de gases que salen por las toberas. Se produce una fuerza quemueve y acelera a la masa del cohete y para que se mueva hay que vencer lainercia de la masa del cohete. Por último, para que salga del campo gravitato-rio de la Tierra se requiere una velocidad de más de once kilómetros por segun-do.” Sin embargo, las explicaciones de Newton no dicen nada acer-ca de la naturaleza de estas fuerzas. De hecho, mucho del progresode la ciencia durante y después de la época de Newton, ha sido aso-ciado con el descubrimiento y explicación de las fuerzas fundamen-tales de la naturaleza. (Trefil y Hazen, Pag. 42)

La gravitación universalLa gravedad es la más evidente de las fuerzas en la naturaleza,

nos mantiene pegados a la superficie del planeta Tierra. Es la queobliga a caer a aquellos cuerpos que no alcanzan la velocidadnecesaria para escapar de la Tierra o permanecer en órbitas. Lascaracterísticas de lo que se llama gravedad fueron conocidas porlos antiguos griegos y sus propiedades ya fueron estudiadas porAristóteles. Luego, como vimos antes, en el renacimiento, Galileoy sus contemporáneos estudiaron los efectos producidos por laatracción gravitatoria en los planos inclinados; sin embargo, fue

Newton quien reveló su universalidad.Cuando Newton razonó que: “así como una manzana cae de un árbol, la Luna también cae hacia la

Tierra”, entonces llegó a la conclusión de que la gravedad es una ley universal que se aplica atodos los cuerpos celestes. “Newton fue la primera persona en unir la gravedad terrestre, que funciona enla Tierra y la gravedad celeste, que opera en los cielos.”

La Proposición LXXI. Teorema XXXI dice: “Con los mismos supuestos, digo que un corpúsculosituado fuera de una superficie esférica es atraído hacia el centro de la esfera con una fuerza inversamenteproporcional al cuadrado de su distancia al centro de la esfera”. (Hawking, Newton Pag. 778) Esta leyde la gravitación universal en su formulación moderna dice : “Entre dos objetos cualesquiera delUniverso hay una fuerza atractiva (gravedad) que es proporcional a las masas de los objetos e inversamenteproporcional al cuadrado de la distancia entre ellas”. (Trefil y Hazen, Pag. 43-45)Peso y gravedad

La ley de la gravitación universal nos dice que: “hay una fuerza entre cada par de objetos encualquier parte del Universo, de modo que todos los objetos del Universo ejercen fuerzas los unos sobre losotros. Las fuerzas existentes entre objetos pequeños son usualmente insignificantes, pero las fuerzas gravita-cionales entre objetos grandes dan forma a la estructura del Universo.” La formación de los sistemassolares, de las estrellas y de las galaxias son el resultado de las fuerzas gravitatorias. Estamisma fuerza ejercida en forma especial por la Luna sobre la Tierra da lugar a la formaciónde las mareas.

“El peso es simplemente la fuerza gravitatoria de un objeto localizado en un cierto punto de un pla-neta, luna u objeto celeste. El peso depende de las masas de los cuerpos celestes en el que nos encontra-mos.” En la superficie de la Luna el peso de cualquier objeto es seis veces menor que enla Tierra. En lo alto de una montaña el peso es menor que a nivel del mar porque se estámás lejos del centro de la Tierra. El concepto de peso contrasta con el de masa que es lacantidad de materia de un objeto y que es igual en cualquier lugar del Universo. (Trefil yHazen, Pag. 46)

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¿QUÉ… ES LA REALIDAD?

Esta es la pregunta ontológica fundamental Aristóteles consideraba que era indispensable usar los sentidospara llegar al conocimiento de loque es la realidad del mundo físi-co.Aristóteles cree que la materiaposee dentro de sí la entelequiaque es el propósito o fin interiorque le da el potencial para con-vertirse en algo

Para Platón lo verdadero y realeran las formas y las ideas, ya quevivimos en un mundo de aparien-cias y que lo que existe es la reali-dad del mundo matemático

El budismo considera a la realidad como el vacío o la vacuidad, esdecir como una especie de reali-dad virtual, este es el mundomental

Los taoístas dicen que si quere-mos saber qué es la realidad tene-mos que observar a la naturaleza.

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¿QUÉ ES LA REALIDAD?Don Quijote no se desencanta por el mero hecho de vivir, sino porno acertar o distinguir con claridad las realidades que le rodean.

R.MAEZTU

“Esta es la pregunta ontológica fundamental y que muchas culturas hantratado de responder, comenzando por las especulaciones de Platón y Aristótelesen Grecia, así como aquellas de los budistas y taoístas en el Oriente.” Sinembargo, las respuestas a la explicación de la realidad se encuentranmás que nada en la física contemporánea, en las teorías de la mecá-nica cuántica, que tratan sobre la composición interna de la materia y en la relatividad que estu-dia el espacio- tiempo y la materia-energía y sus relaciones con el Universo.

Es famosa la alegoría platónica de la caverna, en la cual los prisioneros se guían por sussentidos y se convencen de que la realidad la conforman las sombras que ven moverse por lasparedes. Platón, por lo tanto, “no estaba de acuerdo en confiar en los sentidos para percibir la realidad.”Por otro lado, “Aristóteles consideraba que era indispensable usar los sentidos para llegar al conocimien-to de la realidad.” Se dice erróneamente que a través del sentido común podemos percibir yentender la realidad; esta es la base material y fenomenológica de todo lo que tiene que ver conla ciencia clásica, de modo que es de fundamental importancia entenderla. Para esto es necesa-rio responder algunas preguntas como las siguientes: ¿Qué es la realidad? ¿Puede haber algoreal pero que no exista?

Como vimos antes, para Platón lo verdadero, lo real, eran las formas geométricas y las ideas,ya que vivimos en un mundo de apariencias en que sólo las formas tienen realidad fuera de nues-tra mente. Leibniz le llamó idealismo a la filosofía de Platón ya que en ella sólo las ideas y las

formas matemáticas son entes reales; la reali-dad no es lo que captamos a través de los senti-dos y solamente la razón nos puede revelar lasverdaderas formas. Con su alegoría de la caver-na Platón pretende probar que no podemos con-fiar solamente en los sentidos y por lo tantodebemos usar la razón. Esto se hace patente conlas demostraciones de la ciencia moderna, enque “hemos podido comprobar que las percepciones yel sentido común no son suficientes. Por esto se puedeafirmar que existe una realidad platónica ideal y mate-mática que conforma un primer mundo matemáti-co”, tal y como lo llama Penrose en su libro TheRoad to Reality. (Pág. 12 - 20)

Para Aristóteles en cambio, “la realidadestá compuesta de formas y de materia que existencomo algo específico, de tal manera que la madera essolamente madera hasta que la mesitud que poseeintrínsicamente, permite al artesano darle la formaque la convierte en mesa.” Aristóteles cree que“la materia posee dentro de sí la entelequia, que esel propósito o fin interior que le da el potencial para

convertirse en mesa o cualquier otro objeto.” Para Aristóteles el mundo platónico de formas idea-les e inmateriales es una contradicción en sí mismo, por lo que sugiere enfocarse en el mundoque nos rodea y descubrir sus secretos mediante el estudio de sus variaciones y posibilida-des. Para Aristóteles lo que existe es la realidad del segundo mundo físico.

“El budismo considera a la realidad como el vacío o la vacuidad, como una especie de realidad virtual. Paralos budistas la vida está caracterizada por los sufrimientos, que son consecuencia de los deseos, que a su vez son

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Capítulo 3

Figura No. 3 - 8 Principia mathemáticaFuente:: http://www.biografiasyvidas.com/monografia/newton/fotos/newton_6.jpg

Las Ciencias y la Realidad

• En la mecánica clásica se puededeterminar sin ninguna dificultadla posición y el momento de unvehículo; el momento es igual a lavelocidad por la masa

• En la mecánica cuántica sólopodemos estimar estas cantidadespero nunca saber los valores exac-tos.

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sólo ilusiones. Para los budistas las personas no iluminadas ven el mundo sola-mente a través de sus sentidos y creen que las cosas son como las ven.” Esta esuna falsa realidad similar a la de los habitantes de la caverna dePlatón. Desde el punto de vista budista las cosas que parecen tenerformas, en realidad están vacías como los sentimientos, los impulsos,las percepciones, la conciencia y otras más.

“Los taoístas, en cambio, dicen que si queremos saber qué es la realidad,tenemos que observar a la naturaleza, ya que ésta es suficientemente sabia comopara saber que el Sol brilla de día y la Luna de noche. Todos los fenómenosnaturales son cíclicos, de modo que existe una armonía entre las repeticiones delyin y el yang.” (Mitchell, Pag. 61-73) es decir, esto conforma lo que sellama el tercer mundo mental. (Penrose, Pag.12-20)

David Deutsch dice que: “la realidad es el súper-espacio de todas lasposibilidades”, es decir “la realidad es todo lo que hubo, hay y habrá, deacuerdo a las posibilidades del ser y del existir.” En los diccionarios se defi-ne lo real como “la cualidad o estado de ser algo verdadero”; algo realtiene que ser necesariamente algo que verdaderamente existe, que estangible y perceptible.

También se dice de “unapersona, evento o entidad que es actual y real”, no puede seralgo mítico, del pasado, que puede o no haber existido; loreal tiene que ser de hoy. Otra definición dice que: “la rea-lidad es la totalidad de las cosas o seres que poseen la cualidad deexistir o tener una esencia, es decir que son cosas materiales y nofantasmas. Se dice que la realidad es la suma de todo lo que es real,absoluto e incambiable o sea lo que tiene existencia”. Sin embar-go, la ciencia nos indica que las cosas reales no necesa-riamente las podemos percibir, ya que pueden ser extre-madamente pequeñas o lejanas y pueden cambiar y evo-lucionar.Las ciencias y la realidad

“En la ciencia clásica del siglo XVII y XVIII, el Universo estabaformado por partículas sólidas, indivisibles e indestructibles, como lasmónadas de Leibniz, en un espacio absoluto como lo llamaba Newton,es decir plano y rodeado de un vacío infinito.” El tiempo tambiénera absoluto, lo que significaba que tenía un ritmo igual,tanto en el pasado como en el futuro y que era independiente del espacio. “En el siglo XX estas con-cepciones fueron cambiando radicalmente al descubrirse la teoría de la relatividad y la mecánica cuántica. Conestas teorías aparecieron una serie de nuevos descubrimientos sobre la materia, la energía, el espacio y el tiempoen el Universo, que han revolucionado nuestra concepción del mundo y de la realidad.”

Como veremos en el capítulo siete, con el descubrimiento de la mecánica cuántica se logródar un salto cualitativo muy grande al entender la conformación de la materia, de las partículasdentro del átomo y de la energía, que como ahora sabemos aparece en paquetes y no como unacantidad continua. Pero al mismo tiempo se abrieron una enorme cantidad de interrogantes queantes no habían sido consideradas como por ejemplo la naturaleza de las partículas que a vecesfuncionaban como ondas y otras como partículas.

Einstein dice que “el conjunto de la ciencia es tan solo un refinamiento del pensamiento de cada día”,que es a su vez el desarrollo del pensamiento crítico y que se basa en las observaciones sensoria-les detalladas de las experiencias de la realidad. De esta manera nacen los conceptos del mundoexterno real, que según Einstein se inicia con las percepciones sensoriales y con la formación delos conceptos de lo que son los objetos materiales. Estas percepciones se repiten y nos permiten

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La Realidad Relativa

La realidad depende en granmedida del observador

El mundo que observamos esbásicamente una construcciónmental de nuestros cerebros

La mente es capaz de cruzartodas las barreras del súper espa-cio y del tiempo, tanto del futurocomo del pasado

• Podemos llegar a las regionesinfinitesimales del espacio-tiem-pocuando tenemos el coraje parapasar a través del espejo de Aliciaen el País de las Maravillas

• Sólo entonces podremos teneruna percepción aunque sea muybreve de la realidad tan complejaque nos rodea.

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Figura No. 3 - 8 Enfrentar la realidadFuehttp://vesania.blogia.com/upload/realidad.JPGnte:

establecer las relaciones lógicas que se transforman en pensamientos que son ordenados for-mando los conceptos de la realidad externa y material que trata la ciencia.

Para Kant “el gran misterio del mundo es su comprensibilidad de modo que el mundo externo real care-cería de sentido si careciera de comprensibilidad”. Esta comprensibilidad se refiere al orden que sepuede establecer con la creación de perceptos, conceptos, ideas, teorías y leyes naturales, queson probadas empíricamente y que su validez se determina por el éxito que tienen al explicary aclarar los misterios del Universo y de la naturaleza. Estos conceptos solo pueden ser com-prendidos intuitivamente y se convierten en leyes cuando pueden ser aplicadas a las experien-cias sensoriales y nos permiten entender por medio de modelos mínimos la realidad del mundoexterno real que nos rodea. (Einstein. 2005 Pág. 242-246)

A principios del siglo veinte se desarrolla la extraordinaria teoría de la Relatividad Generalde Einstein, que veremos en el capítulo ocho y que nos da una nueva visión de la realidad delUniverso, especialmente en lo que tiene que ver con el espacio, el tiempo, la energía y la mate-ria. Además, permite refinar nuestra concepción de las posibles estructuras del Universo.Resulta que según la relatividad, el espacio y el tiempo están unidos en una forma muy espe-cial que se conoce como el continuo espacio-tiempo. Es decir, que el espacio y el tiempo noson dos cosas separadas sino que forman un ensamblaje continuo y sin rupturas.

De modo que, de acuerdo a la relatividad tanto el espacio como el tiempo no tienen nadade absolutos, son relativos el uno al otro. Por ejemplo en un lugar del espacio en que hay muchagravedad, como cerca del Sol, el tiempo vamás lento, de modo que distintos observado-res en distintos medios de locomoción pue-den tener tiempos diferentes, ya que mientrasmás rápido viaja una nave, más lento pasa eltiempo. También la materia y la energía for-man una pareja estrechamente relacionada, laecuación más famosa de la física dice que laenergía es igual a la masa multiplicada porla velocidad de la luz al cuadrado. Esta rela-ción nos proporciona una visión distinta de larealidad en la cual la materia es igual a laenergía; en otras palabras la materia es comosi fuera energía congelada.

La realidad relativa“Según Aristóteles la materia era eterna e indes-

tructible. Este concepto permitió a Lavoisier formu-lar luego en el siglo XVIII la ley de la conservación de la materia, que él le llamó de la conservación de los ele-mentos químicos.” Sin embargo, ahora sabemos que el espacio se halla íntimamente conectadocon el tiempo, la materia es lo mismo que la energía y los electrones pueden actuar como ondasy como partículas. Entonces la pregunta que debemos hacernos es: ¿Qué rayos es en realidad,la realidad? Resulta que esta paradoja de la realidad depende en gran medida del observador,para unos puede parecer de una manera y para otros ubicados en otro lugar puede ser diferen-te, de modo que no existe una realidad absoluta, sino que depende de una serie de factoresexternos incluyendo al observador.

Si nos imaginamos por un momento lo que sucede con un ciego que después de muchotiempo puede ver por una operación en sus ojos, resulta que su cerebro no está preparado parainterpretar las imágenes y relaciones espaciales, por lo tanto no puede ver. Para esta persona elespacio va a ser algo incomprensible ya que la construcción que hacemos de la realidad delmundo que podemos observar es tan compleja que nos ocupa la mitad del cerebro por lo menos,de modo que podemos afirmar que “la realidad del mundo que observamos con nuestros ojos es básica-mente una construcción mental.”

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Capítulo 3

Figura 3 - 9 Realidad y complejidadFuente: http://www.scielo.br/img/revistas/asoc/v8n2/28603f1.gif

Nuestra suerte es que la conciencia de la mente es capaz de cruzar todas las barreras delsúper espacio y del tiempo, tanto del futuro como del pasado. En el siglo XX las teorías de lafísica cuántica, de la relatividad y de las cuerdas son las visiones más profundas para tratar deentender la realidad de los mundos complejos que habitamos y de los multiversos que pode-mos predecir deben existir. “Cuando usamos nuestra imaginación, podemos tener el coraje para pasar através del espejo de Alicia en el País de las Maravillas y encontrarnos con las últimas partículas y cuerdas deenergía en las regiones infinitesimales del espacio-tiempo. Sólo entonces podremos tener una percepción aun-que sea muy breve de la realidad tan compleja que nos rodea.” En los siguientes capítulos veremos enmás detalle los distintos aspectos de la realidad que hemos mencionado aquí.

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Figura No. 3 - 10 Planos de la realidadFuente: http://librodenotas.com/almacen/imagenes/colaboraciones/ilustracion3.jpg

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Capítulo 3

Figura No. 3 - 11 Del cuerpo al cosmos. Arte precolombino.Fuente: http://www.barcelona2004.org/addon/img/1326d54cosmos03g.jpg

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El diseño del universo1. ¿A qué se deben el orden, la complejidad y la belleza del universo?2. Explica los argumentos para objetar la existencia de un diseño (o diseñador) deluniverso.3. ¿Cuáles son los mecanismos que habrían permitido que el orden surja espontánea-mente del desorden?4. ¿Cuáles son los elementos que deben estar presentes para dar origen a sistemasbiológicos básicos?5. ¿Qué disciplinas han debido conjugarse para dar origen a la cosmología como unaciencia?6. ¿Cuál es el argumento principal para pensar que podría existir vida en otros luga-res del universo?7. ¿Cuál sería la composición porcentual de materia y energía en el universo?

El nacimiento de la mecánica.8. Explica la concepción de Aristóteles sobre los movimientos.9. Explica la concepción de Galileo sobre el movimiento.10. Explica el concepto de rapidez.

11. Explica el concepto de velocidad.12. Explica el concepto de aceleración.

Las leyes de Newton13. Explica el enunciado de la primera ley de Newton.14. Explica el enunciado de la segunda ley de Newton.15. Explica el enunciado de la tercera ley de Newton.16. Explica el enunciado de la gravitación universal de Newton.17. Explica los conceptos de peso y masa.

¿Qué es realidad?18. ¿Cómo entendía Aristóteles la realidad?19. ¿Cómo entendía Platón la realidad?20. ¿En qué consiste el Principio de Incertidumbre de Heisenberg?21. ¿Cómo se considera en la Teoría de la Relatividad el espacio y el tiempo?22. ¿Cuáles son los tres mundos que constituyen la realidad según Penrose?

Bibliografía

PREGUNTAS DE REPASO

EINSTEIN ALBERT, Obra Esencial. Editorial Crítica Barcelona. 2005EINSTEIN ALBERT, Mi Visión del Mundo, Barcelona, Ediciones Orbis S.A. 1985HAWKING STEPHEN. Comentador. A Hombros de Gigantes. Las grandes obras de la física y la astronomía. Crítica,

Barcelona. 2004HUXLEY THOMAS HENRY. Science and Culture. Harvard Classics. Volume 28. P.F. Collier & Son Corporation. New York. PENROSE ROGER. The Road to Reality. A complete guide to the laws of the universe. Alfred A. Knopf. New York 2005.SAGAN CARL, Cosmos, Barcelona, Editorial Planeta, 1980SEBA PETR, Autobuses que Funcionan en el Espacio-Tiempo, Revista Discover en Español, diciembre 2000.TREFIL JAMES, HAZEN ROBERT M. The Sciences. An Integrated Approach. Third edition. John Wiley & Sons,

New York. 2001.

1. Se afirma que la vida humana es producto de unaenorme coincidencia al chocar un asteroide contra laTierra hace aproximadamente 65 millones de años.De no haber sucedido esto, ¿qué crees que hubiesepasado con la raza humana?

2. Da tu opinión bien argumentada acerca de los cuatropuntos que indicarían la existencia de un diseñadoro ente creador del universo.

3. Da ejemplos de algunos eventos que demuestren laaplicación de las tres leyes del movimiento deNewton.

4. ¿Por qué se argumenta en el texto que la gravedad essin duda el mayor creador de orden en el universo?

5. En este capítulo hablamos un poco acerca de rela-tividad. ¿Cuál es tu interpretación cuando se men-ciona que tanto el espacio como el tiempo no sonabsolutos sino que son relativos? Define los térmi-nos absoluto y relativo.

6. Se dice que las cosas complejas han evolucionadode las cosas simples. Describe algún ejemplo de este

proceso.

7. La ciencia empezó observando detenidamente lanaturaleza. ¿Crees tú que la ciencia es simplementebuenas observaciones?

8. La causalidad significa que a los mismos efectosdebemos asignar las mismas causas. ¿Crees quesiempre se aplica este principio en la naturaleza?

9. La ciencia antiguamente se ocupaba casi exclusiva-mente de las estructuras, mas no de su formación.¿Qué entiendes tú por esto?

10. Se dice que existe materia oscura y energía oscura.¿Qué significa esto?

11. Galileo debía ingeniárselas para medir el tiempo dela manera más precisa posible. Investiga qué tiposde artefactos se usaban en esa época para medir eltiempo.

12. Cuando se habla de gravitación nos referimos a ellacomo universal. ¿Por qué se usa ese término?


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Capítulo 4

INTRODUCCIÓN

El intento de entender los fenómenos de la naturaleza es tan antiguo como las civilizaciones quese originaron en la China, la India, en Asia Menor, en Europa y América. Todos estos pueblostrataron de analizar y describir los fenómenos naturales, para de esta manera entender las cau-

sas de los mismos. “La revolución de las ideas científicas permitió el surgimiento de la ciencia moderna en Europay una de estas ideas fundamentales es el concepto de energía, palabra que viene del griego y significa literalmente entrabajo.”

Tanto la estructura del Universo como la vida que abunda en la biósfera terrestre y toda la acti-vidad molecular que crea orden en la Tierra, se originan con la energía. El uso de este término en laciencia se remonta a fines del siglo XVII, 88888888 Leibniz comprendió que “la energía del movi-miento es igual al producto de la masa por el cuadrado de la velocidad y que la energía sólo se transforma, pero nopuede crearse ni desaparecer,” lo que ahora se conoce como la Ley de Conservación de la Energía.Luego, en 1807 el profesor inglés de Filosofía Natural, Thomas Young, se apropió del términoenergía para la ciencia cuando dijo: “the term energy may be applied, with great propriety, to the productof the mass or weight of a body into the square of the number expressing its velocity,” lo que significa que laenergía es igual a la multiplicación de la masa por el cuadrado de la velocidad. Ahora sabemos quees solamente la mitad de la masa la que hay que multiplicar por el cuadrado de la velocidad paraobtener la energía cinética o del movimiento. (Atkins, Pag. 84)

La energía es el recurso maestro del universo, que comienza con una enorme cantidad deenergía en forma calor y a partir de ésta se forman las fuerzas y partículas fundamentales, los áto-mos y las estrellas. Sin energía no puede haber un universo, ni la vida, tampoco ecosistemasy comunidades, menos aún las sociedades humanas que se han desarrollado en el siglo XX,que basan su desarrollo y bienestar en el uso intensivo de diferentes formas de energía. Eneste capítulo vamos a explicar el significado e importancia que tiene la energía para la ciencia ypara nuestras sociedades, así como lo crucial que es aprender a transformar y conservar la energía.

Para poder entender la naturaleza de la energía debemos primero comprender dos con-ceptos: el primero tiene que ver con el movimiento y el segundo conel calor. Como vimos antes, las descripciones del movimiento de loscuerpos las realizaron inicialmente Aristóteles y luego Galileo yNewton, en los siglos XVI y XVII, en cambio la naturaleza del calorsólo se descubrió a mediados del siglo XIX.

DEL CALOR A LA ENERGÍA

El Sol es una estrellaDice John Gribbin que “el Sol es una estrella de las más corrientes, ni

especialmente grande, ni especialmente pequeña, ni especialmente brillante, niespecialmente apagada y que se encuentra aproximadamente en la mitad de suciclo vital. La única razón por la que parece diferente de otras estrellas del cieloes porque estamos muy cerca de ella”. La Tierra describe una órbita alre-

4ENERGÍAInfringir las reglas es estimulante, si logras aprender a infringir las

reglas que te detienen, el universo será tuyoALBERT EINSTEIN

La universalización de la contabilidad

ENERGÍA

La universalización de la contabilidad

Introducción• Tanto la vida que abunda en labiósfera terrestre como toda laactividad molecular que creaorden en la Tierra se originan conla energía que recibimos del Sol

• La energía es el recurso maestrodel Universo; comienza con unaenorme cantidad de calor que esuna forma de transmitir la ener-gía y a partir de ésta se formanlas fuerzas y partículas fundamentales, los átomos y lasestrellas.

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dedor del Sol a una distancia de 150 millones de kilómetros y tarda un año en realizar el viajecompleto. Sólo hace cerca de 400 años se supo que el Sol era una estrella. Antes los egipcios,mayas, aztecas e incas adoraban al Sol como la divinidad más importante de sus mitologías. En losúltimos cien años se han hecho muchas investigaciones detalladas del Sol, de modo que ahorasabemos más del Sol que de la Tierra. “El Sol es una estrella que está en constante excitación, a veces lanzallamaradas que son casi tan grandes como el radio del Sol y tiene una actividad que se manifiesta por las manchassolares y las explosiones monumentales de su corona o superficie exterior.”

La luz que viene del Sol tarda ocho minutos y veinte segundos en llegar a la Tierra, a unavelocidad de 300 mil kilómetros por segundo. Debido a lo lejano que está el Sol de nosotros esdifícil imaginarse lo enorme que es, ya que en su diámetro caben 109 diámetros de la Tierra.Ahora sabemos que “el Sol es una estrella ordi-naria de un tamaño mediano conocida como unaenana amarilla. El sistema planetario se halla muyalejado del centro de la galaxia espiral llamada laVía Láctea, en uno de los brazos conocido comoOrión. La siguiente estrella más cercana al Sol esAlfa Centauro que está a 4,4 años-luz de distancia,es decir, la luz se tarda 4,4 años en llegar a noso-tros.”

Es muy peligroso mirar al Sol: solounos pocos segundos producen daños en laretina y si se mira unos minutos se produceceguera; peor aún si se lo mira con telesco-pios que concentran la luz en el ojo. Losgriegos creían que el Sol era un astro conuna forma circular perfecta y esto se convir-tió en un dogma durante toda la EdadMedia. En algunas ocasiones ciertas perso-nas observando el Sol en el ocaso notaronque tenía unas manchas negras, pero creye-ron que eran nubes que impedían el paso de la luz. En el año 1600 Galileo notó, al observar elSol con su telescopio, que en realidad había manchas y dibujó estas manchas que aparecían enparejas y se movían, por lo que dedujo que el Sol está girando sobre su eje. Pero Galileo tenía

mucho recelo de publicar estos descubrimientos y otros observado-res lo hicieron antes que él.

Las racciones nucleares dentro del SolCon el tiempo se han hecho muchísimas observaciones, estudios

e investigaciones acerca del Sol, de modo que ahora sabemos que: “ElSol es una estrella que funciona como un reactor de fusión nuclear cuando latemperatura de su núcleo se eleva a unos quince millones de grados debido alefecto de la increíble fuerza de gravedad que se produce por la enorme masa quetiene. El Sol representa el 98% de la masa del sistema planetario. La gravedadenorme que hay en el centro del Sol, hace que los átomos de hidrógeno choquenunos con otros produciendo temperaturas de quince millones de grados. A estastemperaturas se inician las reacciones de fusión nuclear que producen enormescantidades de energía que primero equilibra a la gravedad en el centro y luego lepermite irradiar enormes cantidades de energía a todo el sistema solar.”

Hace cinco mil millones de años, en el núcleo del Sol se inicia-ron las reacciones nucleares que lo encendieron debido a la conver-sión de la masa de los núcleos de deuterio en helio, liberando ener-gía en forma de radiaciones electromagnéticas. “Se ha calculado que

DEL CALOR A LA ENERGÍA

• El Sol es una estrella de las más corrientes, ni especialmente gran-de, ni pequeña, ni brillante, niapagada y que se encuentra apro-ximadamente en la mitad de suciclo vital

• La única razón por la que parecediferente de otras estrellas delcielo, es porque estamos muycerca de él

• La Tierra describe una órbitaalrededor del Sol a una distanciade 150 millones de kilómetros ytarda un año en realizar el viaje completo

• El calor es una forma de trans-mitir energía similar a las olas.

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Figura No. 4 - 1 Energía, trabajo y calor.Fuente: http://www.fq.uh.cu/dpto/qf/uclv/infoLab/infoquim/complementos/termoquimi-ca/image009.gif

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Capítulo 4

cada segundo, cerca de setecientos millones de toneladas de hidrógeno se con-vierten en seiscientos noventa y cinco millones de toneladas de helio, de modoque cinco millones de toneladas de hidrógeno se pierden y se convierten en ener-gía de acuerdo a la fórmula de Einstein.” Según esta fórmula, esta masaque se pierde de cinco millones de toneladas por segundo, se multi-plica por la velocidad de la luz al cuadrado y es igual a la energía queel Sol transforma cada segundo.

Radiaciones solares Estas reacciones que produce la transformación de hidrógeno en

helio y liberan energía, son las mismas que se producen en las bom-bas de hidrógeno y son, además, el proceso inverso del Big Bang, en

donde de la energía seformó la materia. “Laenergía que emite el Sol salede la corona solar en formade radiaciones electromagnéticas, que viajan por el espaciovacío en todas las direcciones; de modo que sólo una minús-cula parte de esta energía llega a la Tierra.” Estas radia-ciones al llegar al campo magnético de la Tierra y alos cinturones de iones que protegen a la Tierra sondetenidas en su mayor parte. Otras son detenidas porla capa de ozono de la atmósfera; una buena parte esreflejada al espacio por las nubes y los polos de laTierra. La parte que pasa a través de la atmósfera yllega a la superficie de la Tierra es absorbida por lasalgas del mar y las plantas, que transforman la ener-gía solar por medio dela fotosíntesis y produ-cen grandes cantidadesde glucosa, celulosa yoxígeno. “La energía elec-tromagnética del Sol estransformada en energíapotencial química en las

plantas.” (Gribbin, Pag. 169-189)La energía del Sol

“El Sol calienta la atmósfera y los océanos generando las corrientes mari-nas, los vientos y los huracanes; éstos toman parte de su energía del calor de losmares tropicales y la convierten en energía cinética al mover enormes masas deaire y nubes a grandes velocidades.” Cuando el aire se calienta sube hacialas capas superiores de la atmósfera. Mientras el aire sube, en estos lugares se produce una bajade presión atmosférica que es compensada al llenarse con los vientos que acuden a estos lugares,transformándose la energía térmica en energía cinética del viento. En los océanos, el agua que secalienta sube y empieza a moverse en las enormes corrientes marinas superficiales y cuando seenfría baja y forma las corrientes submarinas. Estos son los principales sistemas de distribucióndel calor que llega del Sol.

La energía nos rodea por todas partes, está en todos los seres vivos, en la atmósfera, en losocéanos y en el interior de la Tierra. “Poco sabemos de lo que sucede en las capas interiores de la Tierra;conocemos que en el centro hay un núcleo de hierro sólido cuya temperatura llega a cerca de cinco mil gradoskelvin, similar a la temperatura de la corona del Sol. Esta energía proviene en su mayor parte del calor genera-

El Sol es una estrella

• Sabemos que el Sol es unaestrella ordinaria de tamañomediano conocida como un enanaamarilla

El sistema planetario se halla muy alejado del centro de la galaxiaespiral llamada la Vía Láctea

• Hace miles de millones de años, debido a la gravedad, se iniciaronlas reacciones nucleares queencendieron a las estrellas

• Al convertir la masa de losnúcleos de deuterio en helio, libe-rando energía en forma de radia-ciones electromagnéticas.

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La energía del Sol

• Calienta la atmósfera y los océa-nos generando las corrientesmarinas, los vientos y los huraca-nes

• Poco sabemos de lo que sucede en el interior de la Tierra, en elcentro hay un núcleo sólido dehierro, niquel y otros metales acinco mil grados kelvin

• La energía es fundamental parala vida y para las civilizaciones, lasleyes de la física que tienen quever con la energía son de las másimportantes de la ciencia.

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Figura No. 4 - 2 Energía solarFuente:http://www.windows.ucar.edu/earth/climate/images/energycycle_sm.sp.jpg

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do por la radioactividad de las rocas y por la energía cinéticaque se convirtió en calor durante el gran bombardeo,” mien-tras se estaba formando la Tierra y caían una enormecantidad de meteoros, rocas y cometas, convirtiendosu energía cinética en calor.

La energía es fundamental para la vida y para elfuncionamiento de las civilizaciones. En este capítulovamos a estudiar las leyes de la física que tienen quever con la energía. La energía está íntimamenterelacionada con las fuerzas que vimos en los capí-tulos anteriores; cuando una fuerza actúa es por-que hay energía que se transforma. A continuaciónveremos qué es la energía, los diferentes tipos de ener-gía que existen y las leyes que rigen el mundo de laenergía.

¿QUÉ ES LA ENERGÍA?Newton nunca usó el término energía, de modo que su formu-

lación de las leyes de la mecánica que vimos en el capítulo anterior,era esencialmente la definición del mundo del movimiento, sin com-prender cómo se manifestaban las fuerzas. Él dejó para las siguien-tes generaciones la aclaración de cómo y por qué actúan las fuer-zas. Antes vimos que el concepto de energía se inicia con Leibniz ycon Young, pero es a mediados del siglo XIX que se comienza ainvestigar en profundidad qué es la energía y a formular sus defini-ciones, conceptos y leyes. Dice Atkins que: “la introducción del con-cepto de energía marca el inicio del pensamiento abstracto en la física y que fueel comienzo de la extraordinaria iluminación que se extendió por todo el mundode la ciencia”. A principios del siglo XIX la energía era todavía un tér-mino literario, pero a mediados de ese siglo ya había pasado a seruno de los conceptos más importantes de la física. En 1846 Kelvindecía que “el mundo de la física eran las fuerzas,” pero posteriormente en1851 decía que “la energía era el principio fundamental. Este cambio se dioen dos etapas, la primera fue el estudio de los cuerpos en movimiento y la segun-da fue el estudio de las acciones que produce un conjunto de partículas, como esel caso del vapor en lo que ahora llamamos las máquinas térmicas.”

En 1920 los físicos se dieron cuenta de que la definición de ener-gía de Leibniz y Young: energía igual al producto de la masa por lavelocidad al cuadrado, era errónea. Al combinar los conceptos detrabajo y la ley de la fuerza de Newton para deducir la energía delmovimiento, se descubrió que hay que modificar esta expresión usan-do sólo la mitad de la masa. De modo que ahora sabemos que:

La energía cinética = a la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado.

“Se define a la energía como la condición o capacidad de un sistema para modificar su entorno, es decir,para realizar un trabajo determinado.” Si en un sistema se realiza un trabajo, se aplica una fuerzadurante una distancia determinada, entonces decimos que se ha producido una variación en laenergía de este sistema. La cantidad de energía en un sistema es una medida de cuánto trabajo sepuede realizar dentro del mismo; más adelante veremos que el trabajo también es una forma de

FiguraNo. 4 - 3 Conversiones de energíaFuente: http://html.rincondelvago.com/files/6/2/1/000016210.jpg

¿QUÉ… ES LA ENERGÍA?

• Es a mediados del siglo XIX quese comienza a investigar qué es laenergía y a formular sus definicio-nes, conceptos y leyes

• La introducción del concepto deenergía marca el inicio del pensa-miento abstracto en la física

• Este fue el comienzo de la extra-ordinaria iluminación que seextendió por todo el mundo

• Se define la energía como lacondición o capacidad de un siste-ma para modificar su entorno

• Es decir, para realizar un trabajo determinado

• En un sistema se realiza un tra-bajo, cuando se aplica una fuerzadurante una distancia determinada

• Entonces decimos que se ha pro-ducido una variación en la energíade este sistema

• La cantidad de energía en un sis-tema es una medida de cuánto tra-bajo se puede realizar dentro delmismo.

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Capítulo 4

transmitir energía. Un sistema cerrado o aislado es aquel en que noentra energía del exterior, como es el caso en nuestro sistema plane-tario. La energía interna de un sistema cerrado se conserva, es decir,se mantiene constante. “Podemos expresar esto al decir que la suma de todaslas energías del sistema es constante en un sistema cerrado; esta es una conse-cuencia de la primera ley de la termodinámica”, que veremos a continua-ción.

El mundo de laenergía

C u a n d oponemos gasoli-na o diesel en eltanque de los vehículos estamos cargandoenergía química para poder mover al automó-vil cuando encendemos el motor. Cuando seenciende la mezcla de combustible y aire en lacabeza de los cilindros, esta energía químicacontenida en las moléculas del combustible seconvierte en calor que expande violentamentea los gases y empuja con gran fuerza a los pis-tones de los motores de combustión interna.El aumento del volumen de los gases de unamanera violenta determina que los pistonesreciban en cada explosión un enormeimpulso, transformándose la energía quí-mica en energía cinética del movimiento.

Cuando caminamos por las calles o subi-mos gradas, o simplemente para vivir, todos los seresvivos usamos energía. Los billones de células que tene-mos en el cuerpo transforman la energía química de los

alimentos dentro de unos orgánulos llamados mitocondrias. La glucosa, que son cadenas de seisátomos de carbono con hidrógeno y oxígeno (C6H12O6) llega a lasmitocondrias y luego de un complicado proceso de reacciones quí-micas, se divide en dos grupos de tres carbonos cada uno. Estostríos de carbono se unen a la adenina y forman los ácidos orgá-nicos llamados adenosin-trifosfato o ATP, que son las baterías deenergía de las células y que nos dan la fuerza para funcionar cadasegundo de la vida. El concepto de energía

Como vimos antes, Leibniz fue el primero en utilizar este con-cepto pero no se conocía el verdadero significado de lo que es laenergía. Recién a principios del siglo XIX se llegó a probar que uncuerpo pesado que se mueve rápidamente tiene más energía que uncuerpo liviano que se mueve lentamente. El concepto de trabajo esfundamental para entender lo que es la energía, “el concepto científicode trabajo es muy diferente de aquel que tenemos en la vida diaria. En el mundode la ciencia se dice que se hace un trabajo cuando se mueve un cuerpo en con-tra de una fuerza opuesta,” como cuando levantamos un objeto pesado

El mundo de la energía

• Cuando ponemos gasolina o die-sel en los vehículos, cargamosenergía para poder mover alautomóvil cuando encendemos elmotor

• Cuando caminamos por lascalles o subimos gradas, o simple-mente para vivir, todos los seresvivos usamos energía

• Los billones de células que tene-mos en el cuerpo transforman laenergía de los alimentos en unosorgánulos llamados mitocondrias.

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El concepto de energía

• Recién a principios del siglo XIXse sabía que un cuerpo pesadoque se mueve rápidamente tienemás energía que un cuerpo livianoque se mueve lentamente

• El concepto de trabajo es funda-mental para entender lo que es laenergía

• El concepto científico de trabajo es muy diferente de aquel quetenemos en la vida diaria

• Se dice que se hace un trabajocuando se mueve un cuerpo encontra de una fuerza opuesta

• Como cuando levantamos unobjeto pesado del suelo y tene-mos que vencer la fuerza de lagravedad.

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Figura No. 4 - 4 BiomasaFuente: http://html.rincondelvago.com/files/3/8/8/000593880.png

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del suelo y tenemos que vencer la fuerza de la gravedad que atrae atodos los cuerpos hacia abajo. Mientras mayor es la distancia de estemovimiento, mayor es el trabajo realizado, de igual manera, mientrasmayor es la fuerza que hay que vencer, mayor es el trabajo, por tantodefinimos al trabajo como:

Trabajo = fuerza por distancia reco-rrida

Si levantamos un cuerpo pesadoen la Tierra, hacemos un trabajo al ven-cer la fuerza gravitatoria y alzarlo auna altura determinada. Si levantamos

el mismo cuerpo en la Luna a la misma altura, realizamos un traba-jo seis veces menor ya que la gravedad de la Luna es seis veces máspequeña que en la Tierra. De modo que podemos definir científica-mente que “la energía es la capacidad para hacer un trabajo determinado.”En el caso de un cuerpo en movimiento, si duplicamos la velocidada la que se mueve, podemos realizar cuatro veces mayor trabajo, yaque la energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad.(Trefil y Hazen, Pag. 55)

Ahora veamos qué pasa con un objeto que hemos levantado auna determinada altura venciendo la fuerza de la gravedad; si losoltamos, el objeto adquiere una aceleración determinada por lagravedad y al mismo tiempo una energía cinética que es igual,como sabemos, a la mitad de la masa por la velocidad al cuadrado. De modo que “el objeto en laposición elevada tiene otro tipo de energía que se llama potencial, y que se transforma en energía cinética cuan-do cae, debido a la gravedad.” La energía potencial es una energía que está guardada o en potencia ylista para realizar un trabajo determinado, debido a su posición, condición o contexto químico. El

término energía potencial fue adoptado por el ingeniero escocés William Rankine en1853.

TIPOS DE ENERGÍA

La energía potencial Se llama así porque, de hecho, tiene el potencial para convertir-

se en otro tipo de energía como la cinética. Por ejemplo, un cuerposostenido en lo alto por una cuerda tiene energía potencial gravitato-ria; si cortamos la cuerda el cuerpo cae y se acelera debido a la gra-vedad, pero la energía potencial disminuye a medida que cae y lacinética aumenta proporcionalmente. De modo que al llegar al suelola energía potencial es cero y la cinética es la misma energía poten-cial que tenía al estar colgado de la cuerda. Esto nos prueba que “lasuma de las energías potencial y cinética es constante y de esta manera llegamosa comprobar la ley de la conservación de la energía.”

La energía puede ser potencial, cinética o de la masa comovemos en el cuadro siguiente. La potencial puede ser gravitatoria,química, elástica, y electromagnética. La cinética puede ser debi-da al movimiento, al calor que es la energía cinética del movi-miento de los átomos y al movimiento de las ondas como las olasdel mar o el sonido. Por último tenemos la energía de la masa que es

TIPOS DE ENERGÍA

• La energía puede ser potencial,cinética o de la masa

• La potencial puede ser gravita-toria, química, elástica, y electro-magnética

• La cinética puede ser del movi-miento, térmica que es el movi-miento de los átomos y de lasondas

• La de la masa es la energíanuclear y la radioactividad.

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Trabajo• Es cuando se aplica una fuerza yésta mueve a un objeto de unamasa determinada en contra deuna fuerza como la gravedad o elrozamiento. En la direcciónopuesta a esta fuerza que seopone, durante una distanciadeterminada.

Tipos de trabajo• Si empujamos a una pared deconcreto y la pared no se mueve,no hemos hecho ningún trabajo

• No importa cuánto nos cansa-mos tratando de empujar lapared.

• Pero sí hemos usado muchaenergía del cuerpo para tratar demover la pared

• Esta energía se ha transformadoen calor, sudamos mucho, pero norealizamos ningún trabajo.

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Figura No. 4 - 5 TrabajoFuente:http://www.cnea.gov.ar/xxi/divulgacion/energia/ficha1_dib2.gif

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Capítulo 4

energía potencial nuclear o de la radioactividad, que permite el funcionamiento de las estrellascomo el Sol y de los reactores nucleares en las centrales de energía nuclear. La energía potencialgravitatoria es aquella que se obtiene cuando se realiza un trabajo en contra de la fuerza de

gravedad, como por ejemplo cuando el calor calienta el aire quesube y se forman las nubes con las gotitas de agua que contiene elaire y que se condensa formando las gotas de lluvia. Las nubes tie-nen energía potencial gravitatoria que podemos aprovecharcuando llueve sobre las montañas y forman ríos que pueden serrepresados para generar energía hidroeléctrica.

La energía potencial elástica se obtiene al hacer un trabajo encontra de las fuerzas de un resorte o elástico. La potencial químicaes energía que está en las uniones de ciertos átomos dentro de las

moléculas, como por ejemplo en las moléculas de ATP quecomentamos antes. “La potencial electromagnética es energía que sealmacena en los campos eléctrico y magnético y puede luego convertirse enuna corriente eléctrica. La energía de la masa es la energía potencial de lamateria.”

La energía cinética Se presenta en varias formas, como cuando un objeto se mueve, o

cuando se mueven los átomos y chocan unos contra otros produciendoenergía térmica o cuando una onda se desplaza transportando energíacon su movimiento ondulatorio. “La energía potencial de la masa se liberacuando se rompen las estructuras nucleares y se libera la energía potencial de lafuerza nuclear fuerte o la débil.” La fuerte es la que mantiene al núcleounido, esta es la fuerza más grande de todas las conocidas del univer-so y por esto es que una pequeña cantidad de materia puede liberarinmensas cantidades de energía. La débil es la que produce el rompi-miento de ciertos núcleos atómicos liberando radioactividad.Trabajo

“En la ciencia se habla de trabajo cuando se aplica una fuerza y éstamueve un objeto que tiene una masa determinada, en contra de una fuerza comola gravedad, en la dirección opuesta a la gravedad y durante una distancia determinada.” Cuando levantamosun objeto cualquiera, nuestros músculos tienen que usar energía para hacer un trabajo que permi-ta vencer a la fuerza de gravedad, que es igual al peso del objeto. Esta definición de trabajo, esdiferente de la que aparece en el diccionario, que dice: “trabajo es la acción de trabajar, realizar una obra,la operación de una máquina, la dificultad para realizar algo y hasta significa la penalidad por realizar ciertos tra-bajos forzados”. Desde el punto de vista científico, trabajo siempre significa la multiplicación de unafuerza por la distancia del desplazamiento del objeto.

De modo que “si empujamos a una pared de concreto y la pared no semueve, no hemos hecho ningún trabajo. No importa cuánto nos cansamos tra-tando de empujar la pared. Sin embargo, hemos usado mucha energía del cuer-po para tratar de mover la pared; esta energía se ha transformado en calor,sudamos mucho, pero no realizamos ningún trabajo.”

Potencia“La potencia nos indica la cantidad de trabajo realizada en un período de

tiempo determinado. Por tanto es la energía que se gasta por unidad de tiempo.”Si subimos unas escaleras a la carrera requerimos más potencia quesi subimos las mismas escaleras a paso lento. Pero la cantidad de tra-bajo o energía que hemos utilizado en ambos casos es la misma.

Potencia

• La potencia nos indica la canti-dad de trabajo o energía utilizadaen un período de tiempo determi-nado

• La potencia es la tasa de cambiode la energía o el trabajo, es decir,la variación de la energía divididapor el tiempo

• Watt calculó que un caballo enbuen estado de salud podía enpromedio mover una carga de 550libras, una distancia de un pie enun segundo de tiempo.

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Energía de las ondas• Cuando observamos las olasromper en la playa, sabemos quelas olas tienen energía

• En este caso se trata de energía cinética, pero otros tipos deondas tienen también energía

• También hay ondas de tipo elec-tromagnético, como la luz y laenergía del Sol

• Estas son ondas de energíaradiante que se propagan por elespacio vacío, almacenan su ener-gía en los campos eléctricos ymagnéticos.

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Figura No. 4 - 6 Energía lumínicaFuente:http://img.alibaba.com/photo/50938173/2U_Energy_Saving_Lamps.jpg

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Nuestros músculos consumen más energía cuando subimos a lacarrera las gradas, que cuando subimos a paso lento. La potencia esla tasa de cambio de la energía o el trabajo, es decir, la variación dela energía dividida por el tiempo en que se realiza esta variación.

Potencia = Energía / tiempo

James Watt (1736-1818) Fue el gran ingeniero e inventor escocés que logró

perfeccionar y mejorar significativamente el funcionamiento y ren-dimiento de los motores a vapor en la Inglaterra del siglo XVII yXIX, mediante la aplicación de condensadores que permitían recogerel vapor que salía del motor y se lo condensaba para devolverlo con-tinuamente altanque de la cal-dera. Además,con la ayuda de

James Clerk Maxwell, introdujo los regulado-res de velocidad para estos motores que deotra manera podían desbaratarse. Con estosinventos y mejoras estos motores fueron y sonmuy confiables y seguros y se usaron en losmotores de automóvil hasta la década de 1930.

Para poder comercializar este motor, Wattencontró que el lugar ideal para hacerlo era enlas minas, en donde se usaban caballos y acé-milas para jalar pequeños vagones de cargaque salían de las profundidades de la tierracargados de minerales tirados por estas bes-tias. “Watt calculó que un caballo en buen estado desalud podía, en promedio, mover una carga de 550libras, una distancia de un pie en un segundo de tiem-po.” De esta manera Watt midió la potencia quepuede realizar un caballo normal y así definióesta unidad de potencia como caballo de fuerza o con su abreviatura inglesa horse power (HP).(Trefil y Hazen, Pag. 56-57)

Hoy se usan los kilovatios, que equivalen a mil vatios, para medir la potencia y la equiva-lencia es de 1 HP igual a 750 vatios aproximadamente. Cuando se paga la cuenta del consumode electricidad en las casas, se paga el valor de la energía consumida, por tanto se multiplica lapotencia en kW por el tiempo de una hora y se obtiene el kilovatio-hora (kWh) que vale unoscuantos centavos de dólar.Energía de las ondas

“Cuando observamos a las olas romper en la playa, sabemos que la energía del movimiento de las olas se haconvertido en energía cinética. Todos los tipos de ondas transmiten energía. Por ejemplo, las ondas sonoras, quetransmiten los sonidos, son vibraciones de distintas frecuencias que producen un movimiento oscilatorio en el airey este movimiento transmite los sonidos a nuestros tímpanos, que los comunican en forma de impulsos eléctricosal cerebro.” También hay ondas de tipo electromagnético, que son las que transportan la luz y laenergía del sol; éstas son ondas de energía radiante o radiaciones que se propagan por el espaciovacío. Estas radiaciones almacenan su energía en los campos eléctricos y magnéticos que acom-

pañan a estas ondas. (Trefil y Hazen, Pag. 62)

La energía de la masa

• El descubrimiento de la radioac-tividad indicaba que había átomosde radio, uranio y otros que libe-raban energía a medida que sedesintegraban

• Cuando se cuantificaron los pro-cesos de desintegración radiacti-va, se pudo comprobar que seproducía una cantidad de energíadeterminada, pero que al mismotiempo se perdía una determinadacantidad de masa

• Al dividirse la cantidad de energía producida por la cantidad de masaque había desaparecido, Einsteinobtuvo una cifra igual al cuadradode la velocidad de la luz.

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FIGURA NO. 4 - 3 Planta HidroeléctricaFuente: http://www.conae.gob.mx/wb/distribuidor.jsp?seccion=2046

Figura No. 4 - 7 James Watt y su motor de vaporFuente: http://www.nls.uk/scientists/images/results/watt.gif

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Capítulo 4

La energía de la masa“El descubrimiento de la radioactividad a principios del siglo XX, al com-

probar que había átomos de radio, uranio y otras substancias, que liberabanenergía a medida que se desintegraban radioactivamente, llevó a los científicosa comprender que la masa era también una forma de energía.” Cuando secuantificaron los procesos de desintegración radiactiva, se pudocomprobar que se producía una cantidad de energía determinada,pero que al mismo tiempo se perdía una determinada cantidad demasa. “Al dividirse la cantidad de energía producida por la cantidad de masaque había desaparecido, se obtuvo una cifra igual al cuadrado de la velocidad dela luz. Esta es la famosa ecuación de Einstein, la energía es igual a la masa mul-tiplicada por la velocidad de la luz al cuadrado.” (Trefil y Hazen, Pag. 63)Transformaciones de energía

Las plantas reciben energíade alta calidad del sol, en laforma de radiaciones electromagnéticas. “Una pequeña partede esta energía, alrededor del uno por ciento, la transforman en ener-gía potencial química, que se almacena en las uniones de las molécu-las, en las células de las plantas.” Cuando nos alimentamos contejidos vegetales en las ensaladas, una pequeña parte, alre-dedor de un diez por ciento de esta energía potencial quí-mica, se transforma nuevamente en energía química ennuestro cuerpo.

“De modo que la energía se va transformando en otras formas deenergía todo el tiempo. Pero en cada proceso de transformación sólouna pequeña parte se transforma, es decir que se pierde gran canti-dad de energía en los procesos de transformación.” Por esto pode-mos afirmar que las transformaciones energéticas son muyineficientes. En general, cuando transformamos energía de

alta calidad, como la electromagnética en energías de menorcalidad como la térmica, se puede transformar con altos por-centajes de eficiencia. Pero al revés, cuando pasamos de

energía de baja calidad a aquellas de alta calidad como la eléctrica, entonces la eficiencia es rela-tivamente baja, alrededor del 30% en los mejores casos.

Las plantas hidroeléctricas transforman energía potencial gravi-tatoria del agua almacenada en los grandes diques y represas en ener-gía electromagnética. El agua llega a las partes al

s desde las nubes, debido a la energía del sol que evapora el aguadel mar y sube como gotitas muy pequeñas a las nubes, desde dondecaen como lluvia a los ríos que llegan a las represas. Al caer el aguade la represa por largas tuberías que llegan a las turbinas de lassalas de máquinas, se convierte en energía cinética que luegomueve a los generadores que convierten el movimiento circularen energía electromagnética.

De modo que: “toda la energía en sus diferentes formas es transforma-ble en otras formas de energía, pero en ciertos procesos se obtiene mayor efi-ciencia que en otros.” Cuando se salta desde un lugar alto, como unpuente, atado a los elásticos llamados bungee, las personas utilizanenergía química de los alimentos para llegar al lugar del salto, adqui-riendo energía potencial gravitatoria al subir a los puentes de dondesaltan. Cuando se arrojan la energía cinética se transforma en ener-

Transformaciones de energía

• Las plantas reciben energía dealta calidad del Sol, radiacioneselectromagnéticas

• Un uno por ciento la transfor-man en energía química

• Cuando nos alimentamos convegetales alrededor de un diezpor ciento se transforma nueva-mente

• Energía de alta calidad se puede transformar con alta eficiencia

• Pero energía de baja calidadcomo el calor, con poca eficiencia.

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PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICA

• La energía sólo puede ser cam-biada a otra forma de energía, nose crea ni se destruye, sólo setransforma

• La comida contiene energíapotencial química, la cual es utili-zada por nuestro cuerpo lo quenos permite vivir y mantener elmetabolismo del cuerpo

• La temperatura corporal, elcerebro y el sistema nervioso sonlos que más energía consumen,además, de la energía para reali-zar los movimientos con los mús-culos.

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Figura 4 - 8 Transformaciones de energíaFuente: http://www.eia.doe.gov/kids/energyfacts/science/ima-ges/EnergyTransformations.gif

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gía potencial elástica, que se almacena en las cuerdas bungee. Partede la energía cinética también se convierte en calor debido a la fric-ción en los diferentes lugares, que se disipa y se pierde en el ambien-te. (Trefil y Hazen, Pag. 64-65)

PRIMERA LEY DE LA TERMODINÁMICAEs importante recordar que la energía sólo puede ser cambiada a

otra forma de energía, no se crea ni se destruye, sólo se transforma.Por ejemplo, la energía química de una batería dentro de una linter-na se transforma en luz cuando se la prende en la noche. La comidacontiene energía potencial química, la cual es utilizada por nuestro

cuerpo para mantener el metabolismo y la temperatura corporal. En nuestro cuerpo son el cere-bro y el sistema nervioso los que más energía consumen, además, se necesita energía para reali-

zar todos los movimientos con los músculos, como al caminar.

La conservación de la energía“El recurso maestro de nuestro universo, la energía, no varía en su conte-

nido total, por esto se dice que se conserva y se le llama a ésta una ley de la con-servación.” En los capítulos iniciales ya se describieron los conceptosde sistemas, tanto de aquellos cerrados, como de los abiertos. Si unsistema intercambia energía con el entorno que le rodea, se dice quees un sistema abierto. Si no hay intercambio es un sistema cerrado oaislado. La Primera Ley dice que:

La cantidad total de energía se conserva en un sistema aisladoEsta ley expresa que la energía puede cambiar, pero no se puede

crear energía de la nada y tampoco la energía puede desaparecer. Laenergía es parecida al dinero de un país, cambia de manos, se

puede guardar, invertir, gastar, pero la cantidad total de dinero no cambia, a menos que semande a quemar billetes viejos o se impriman billetes nuevos y se acuñen monedas. “Tambiénsignifica esta primera ley que no se puede construir una máquina que funcione permanentemente sin un flujoconstante de nueva energía, es decir, no puede haber un móvil perpetuo de ninguna especie.”

Como veremos en el capítulo nueve, “estas leyes de la conservación son una consecuencia de lasimetría del espacio en el universo, esto significa que el espacio es plano en su mayor parte y no tiene ondulacio-nes por todo lado.” Cuando se viaja por el espacio cósmico, éste es plano e igual en todo sitio, excep-to cerca de las grandes masas como las estrellas o los planetas donde se curva debido a la canti-dad de materia en esos lugares.

“De la segunda ley de Newton se pueden deducir las leyes de la conservación de la energía y del momento deinercia, debido a que el tiempo y el espacio son continuos en el universo.” Cuando existe una simetría, tam-bién hay un principio de conservación. Hasta principios del siglo XIX se creía que Dios había cre-ado la energía y que por eso era constante en el mundo, independiente por tanto de la interven-ción humana. (Trefil y Hazen, Pag. 68)La dieta alimenticia y las calorías

La primera ley también se aplica a los alimentos y a nuestro cuerpo. “La energía de los alimen-tos se mide en Calorías, que es la energía térmica necesaria para elevar un grado la temperatura de un litro deagua, esta unidad también se le conoce como kilocaloría.” Si nos alimentamos con más comida de lanecesaria para nuestras actividades diarias, el exceso de energía se acumula en forma de grasa enel cuerpo y cuando no tenemos suficiente alimento para realizar una tarea determinada, usamosesta grasa almacenada en el cuerpo. (Trefil y Hazen, Pag. 69)

La conservación de la energía

• La primera ley dice que la canti-dad total de energía se conserva enun sistema aislado

• La energía puede cambiar, perono se puede crear energía de lanada y tampoco la energía puededesaparecer

• La primera ley nos dice que nose puede construir una máquinaque funcione permanentementesin un flujo constante de nuevaenergía.

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La dieta alimenticia y las calorías

• La energía de los alimentos semide en calorías

• Una caloría es la energía necesa-ria para elevar un grado la tempe-ratura de un litro de agua

• A esta unidad también se leconoce como kilocaloría

• Una persona necesitan cerca de15 calorías por cada libra de pesoal día

• Una persona que pesa 180 lbnecesita de 2700 cal por día.

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Capítulo 4

Los ciclistas que participan en pruebas muy difíciles, como laVuelta a Francia por ejemplo, necesitan alimentarse con cerca dediez mil calorías por día, es decir, cuatro veces más de lo normal.“Se estima que se necesitan 15 calorías por cada libra de peso corporal, esdecir, que una persona que pesa 180 libras o 81 kilos, necesita 2.700 calorí-as por día.” Si se quiere perder una libra de grasa en una semanahay que reducir en 500 calorías la cantidad diaria de alimento.También se puede hacer ejercicio para consumir éstas 500 calorí-as, lo que significa por ejemplo montar una hora en bicicleta amuy buen ritmo, por eso es más fácil disminuir la ingesta de ali-mentos. El calor

En 1867 se publica un tratado magistral de Thomson y Tait lla-mado Treatise on natural philosophy, en el “que se analiza el compor-tamiento de las partículas en términos de la energía cinética, potencial y de laconservación de la energía. Ésta siempre se convierte de una forma más útil auna forma menos útil a medida que se transforma.” Pero había un con-cepto que no se podía entender debidamente y era el del calor; el calor siempre fue consi-derado un fenómeno misterioso, pero con el desarrollo de los motores de vapor pasó a ocuparun lugar muy especial y atrajo la atención de la comunidad científica.

“El problema era que no se entendía cuál es la naturaleza del calor, este concepto parecía que estaba fueradel alcance de la física de ese entonces; al calor se lo había considerado como un fluido y por esto se le llama-ba caloricum,” un fluido imponderable, sin peso ni masa, pero al mismo tiempo capaz de penetraren cualquier lugar; aun hoy día se dice que el calor fluye del cuerpo caliente al frío. “El concep-to del fluido fue eliminado de la ciencia por el científico, inventor, político, soldado, benefactor, estadista, espíay reformador Benjamin Thompson, conde de Rumford, nacido en Massachussets, quien se escapó a Inglaterraen 1776. Estableció la Sociedad Real de la Ciencia en 1799 y luego viajó a Baviera en donde le nombraronMinistro de Guerra, Jefe de la policía, Consejero de la Corte y Conde del Sacro Imperio Romano. Este caballe-ro de tantos oficios fue el que descubrió que el calor se produce por el movimiento de los átomos al chocar unoscon otros, de modo que el calor se podía producir continuamente y por tanto era el resultado del movimiento de

las partículas que conformanla materia.”

En 1875 James Jouleun científico inglés reali-zó un experimento célebreen el cual, por medio deuna pesa movía unas pale-tas ubicadas dentro de uncubo con agua y compro-bó el aumento de la tem-peratura del agua a medi-da que la pesa bajabamoviendo las paletas. Deesta manera demostró queel trabajo realizado por lapesa era equivalente alaumento del calor delagua, medible por el cam-bio de temperatura.“Actualmente se le llama joulea la unidad de energía, que es

El calor

• El calor siempre fue considerado un fenómeno misterioso

• No se entendía cuál es la natu-raleza del calor, parecía que esta-ba fuera del alcance de la física deese entonces

• Al calor se lo había consideradocomo un fluido y por esto se le lla-maba caloricum

• Joule demostró que el trabajomecánico aumenta la temperatu-ra del agua cuando se la agita

• Actualmente se le llama joule ala unidad de energía

• Sabemos que el calor es unaforma para transportar energía.

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Figura No. 4 - 9 Transferencia de calor.Fuente: http://www.monografias.com/trabajos15/transf-calor/Image2312.gif

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aproximadamente la energía que requiere un latido del corazón. Los trabajosy experimentos de Joule probaron sin lugar a dudas que el calor era una formade transferir energía.”

Aun cuando el calor y el trabajo aparecen como dos formas deenergía, hay ciertas diferencias que tuvieron que ser ventiladascuando se entendió la naturaleza atómica de la materia. “Entonces secomprendió que el calor y el trabajo no son formas de energía, sino formas detransferir la energía de un lugar a otro. De esta manera podemos afirmar queel calor es energía en tránsito entre dos lugares con una diferencia de tempe-ratura. El trabajo también es el instrumento que transfiere la energía, pero noes energía.” (Atkins, Pág. 98-105)

“La transferencia de energía en forma de calor es la que estimula los movi-mientos de los átomos, de modo que no existe calor como una forma de ener-gía, sino lo que existe es energía cinética o energía potencial.” Lo que lla-

mamos energía térmica o calor no es energía, de modo que al tratar de mantener una casacaliente durante un frío invierno, se requiere transferir calor de alguna fuente como la chime-nea o la calefacción. Al prender la calefacción la casase calienta, cuando se apaga la calefacción el calorresidual se escapa gradualmente y la casa se enfría.La única manera de mantener las cosas calientes estransferir más calor de alguna fuente adecuada, comoel caso de nuestros cuerpos que requieren transfor-mar la energía de los alimentos para mantener la tem-peratura corporal de cerca de 37ºC. Transferencia de energía

“La energía se transfiere por tres mecanismos básicos:conducción, convección, y radiación, cada uno de estos proce-sos es importante en diferentes aspectos de la naturaleza.”

ConducciónCuando tocamos una sartén que ha estado calen-

tándose sobre una hornilla, sentimos en el mango latemperatura que aumenta por medio de la transferen-cia de energía por conducción. “Se define a la conducción como la transferencia de energía a través de lascolisiones atómicas en un material que se está calentando.” La conducción funciona a través de la acciónindividual de átomos o moléculas que están unidas por enlaces químicos. Cuando un tubo demetal es calentado por un lado, los átomos de ese lado comienzan a moverse más rápidamente.Estos vibran y chocan con átomos que están alejados de la fuente de calor y transfieren un pocode su energía, “por tanto la conducción es el resultado de las colisiones entre átomos o moléculas que vibran.”(Trefil y Hazen, Pag. 80)Convección

Cuando existe una diferencia de temperatura en el interior de un líquido o un gas, se produ-ce un movimiento del fluido que conduce la energía. Este movimiento transfiere energía de laparte caliente del fluido a la parte más fría por un proceso que se denomina convección. “Si secalienta un líquido o un gas, su densidad disminuye, de modo que asciende mientras que el fluido más frío y másdenso desciende. Este tipo de movimiento se denomina convección natural.” Cuando calentamos una cace-rola llena de agua en la estufa, el líquido más próximo al fondo se calienta por la energía que seha transferido por conducción a través de la cacerola.

“Al expandirse la densidad del agua disminuye y como resultado de ello el agua caliente asciende y parte delagua fría más densa baja hacia el fondo, con lo que se inicia un movimiento de circulación que se llama convec-ción.” Algo similar sucede con el aire que se calienta durante el día y asciende en los valles cre-

Transferencia de energía

Conducción, cuando tocamos una sartén que está sobre una hornilla,sentimos la energía que se transfiere por conducción

Convección, cuando existe una diferen-cia de temperatura en el interior de unlíquido o un gas, se produce un movimien-to del fluido que conduce la energía

Radiación,cuando una persona se acerca a la chimenea encendida, siente la energía que llega a su cuerpo por medio de las radiaciones infrarojas.

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Figura No. 4 - 10 RadiaciónFuente: http://energyaudit-scg.sempra.com/

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Capítulo 4

ando corrientes de convección, mientras que el aire más frío desciende por los lados de las mon-tañas. En la noche se produce un movimiento de circulación inverso, de modo que “la conveccióndetermina el movimiento de las grandes masas de aire sobre la superficie terrestre produciendo el movimiento delos vientos, la formación de nubes, las corrientes oceánicas y la transferencia de calor desde el núcleo del Solhasta la corona.” (Trefil y Hazen, Pag. 81-83Radiación

“Cuando una persona se acerca a la chimenea encendida, siente la energía que llega a su cuerpo. Pero estaenergía no puede transferirse por conducción, ya que es muy difícil transferir calor a través del aire, ni por con-vección ya que esto requiere que se produzca un movimiento considerable de aire. De modo que esta transferenciade energía se produce por medio de la radiación o específicamente como una radiación electromagnética,” es decir,energía en forma de ondas electromagnéticas iguales a las que nos llegan desde el Sol.

“Todo objeto en el universo emite energía cuando tiene una temperatura más alta que la de sus alrededores. Elcuerpo humano constantemente emite energía la cual puede ser detectada fácilmente en la noche utilizando lentesinfrarrojos; éste continuará emitiendo energía mientras pueda procesar alimentos que lo mantengan vivo.” Laradiación es el único tipo de energía que puede viajar en el vacío, la conducción requiere de áto-mos y moléculas que vibren y choquen entre sí, la convección requiere del movimiento de los áto-mos o moléculas de una sustancia para poder transferir la energía. (Trefil y Hazen, Pag. 83-85)

ONDAS ELECTRO-MAGNÉTICAS

Transferencia de energía por medio de las ondas“La energía se puede transmitir por medio del choque de partículas y por medio de ondas. En el caso de las

partículas, podemos visualizar unas piezas de dominó, paradas unas al lado de las otras formando una fila muylarga. Si empujamos a la del extremo, todas las piezas van cayendo una después de la otra. De modo que la ener-gía que aplicamos a la primera se transmite hasta la última si todas se pueden tocar.” Las ondas las pode-mos visualizar en las olas que podemos observar en los mares y lagos. Estas olas son lasondas que transmite la energía cinética del viento por medio del movimiento del agua de arri-ba para abajo; solamente en la playa cuando rompen las olas, se mueve el agua horizontalmente.El sonido es una onda longitudinal que se mueve a través del aire. (Trefil y Hazen, Pag. 125-126)Las ondas electromagnéticas

Cuando encendemos un foco o el horno de micro-ondas, podemos observar los efectosde las ondas electro-magnéticas. “Desde las ondas de radio, pasando por la luz visible a los rayos X,todas son ondas electro-magnéticas. Maxwell, después de desarrollar las cuatro ecuaciones que describenlos fenómenos eléctricos y magnéticos, se dio cuenta de que manipulando estas ecuaciones se obtenía unaecuación que describía unas ondas que se movían a la velocidad de la luz, a las cuales les llamó ondas oradiaciones electromagnéticas.”

Este resultado extraordinario permitió a Maxwell dilucidar un enigma que había por siglospreocupado a los hombres de ciencia: ¿Cuál es la naturaleza de la luz que nos llega desde el Sol y lasestrellas? No se sabía cómo llegaba la luz del Sol a la Tierra, ya que no existía un medio en quelas ondas de luz podían vibrar. Luego “se descubrió que la luz era una onda electro-magnética que se pro-duce cuando cargas eléctricas como los electrones se aceleran. Las ondas electromagnéticas están formadas dedos campos, el campo eléctrico y el magnético, que se inducen el uno al otro. El campo eléctrico induce al mag-nético y viceversa, a lo largo de todo el recorrido de las ondas. Esta es la razón por la cual estas ondas puedenmoverse por el vacío, ya que no necesitan ningún medio para trasladarse.”

El éter y la luz“Desde la época de Newton se asumió que al ser la luz una onda, debía existir un medio en el espacio inte-

restelar para que se puedan mover estas ondas de luz. A este medio se le llamó el éter, o quinto elemento segúnAristóteles. Se suponía que era una sustancia muy tenue y transparente, que no causaba ninguna fricción al movi-miento de los planetas por el espacio.”

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Los experimentos de dos físicos nortea-mericanos: Michelson y Morley en 1887demostraron que este éter no se podíadetectar en el espacio, de modo que no exis-tía. “Cuando Maxwell entendió la conexión quehabía entre la luz y las ondas electromagnéticas, llegóa varias conclusiones importantes, en particular quetodas las ondas electromagnéticas viajan a la mismavelocidad por el espacio. Esta velocidad es muyimportante en nuestro universo y por esto se le repre-senta con la letra c de constante y es igual a 300.000km/s en el vacío.” (Trefil y Hazen, Pag. 133-136)La energía electromagnética

El generador de ondas electromagnéticasmás sencillo es una peinilla cargada eléctrica-

mente con cargas estáticas y que se aceleran con lamano, de abajo para arriba y viceversa. Si la peini-

lla se mueve lentamente, la energía de las ondas es muy pequeña, sise mueve muy rápido, la energía aumenta. “Si se logra mover la peinilla300.000 veces por segundo, se generan ondas de radio de un kilómetro de longi-tud. Esto se debe a que la frecuencia es proporcional a la energía de la onda.”El fuego de una vela tiene una luz amarillenta con poca energía. Unsoplete tiene una luz azulada que tiene mucho más calor y energía.La luz roja es la más débil y de menor frecuencia, la luz violeta es lade mayor frecuencia y energí. (Trefil y Hazen, Pag. 135-136)El espectro electromagnético

“El físico alemán HeinrichHerzt entre 1885 y 1889 realizó unaserie de experimentos para buscarlas ondas electromagnéticas diferen-tes a la luz, y confirmó que en reali-dad había ondas de distintas frecuen-

cias y energías, pero que todas se mueven a la velocidad de la luz, comopredecían las ecuaciones de Maxwell.” Empezando por las ondasque ahora llamamos ondas de radio, éstas van de una fre-cuencia de mil ciclos por segundo (kHz) a varios cientos demillones de ciclos por segundo (MHz), que corresponden alas frecuencias de los receptores de radio, tanto en AM comoFM.

A continuación aparecen en el espectro las micro-ondas,que tienen longitudes de onda de un metro a un milímetro.Estas ondas son muy útiles para los radares, satélites y loshornos de micro-ondas. Luego aparecen los rayos infrarro-jos, que son los que transmiten el calor, son ondas de menosde un milímetro hasta cerca de una millonésima de metro.Todo objeto caliente emite ondas infrarrojas; mientrasmayor es la temperatura, mayor es la frecuencia y por tantola energía. Hay algunos animales como los mosquitos y lasculebras que han desarrollado sensores muy precisos para losrayos infrarrojos, de modo que pueden ver en la oscuridad.

LAS ONDAS ELECTRO-MAGNÉTICAS

• Propiedades de las ondas: todas tienen una velocidad, una frecuen-cia, una longitud de onda y unaamplitud.

• Desde las ondas de radio, pasan-do por la luz, a los rayos gamma,todas son ondas electro-magnéti-cas

• Las ondas electro-magnéticasestán formadas por dos camposque se generan el uno al otro: loscampos son el eléctrico y el mag-nético.

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Figura No. 4 - 11 Ondas electro-magnéticas.Fuente: http://www.cca.org.mx/dds/ninos/images/tomo3/36.gif

Figura 4 - 12 Espectro electromagnéticoFuente: http://curiosoperoinutil.com/wp-content/uplo-ads/2007/02/emspecsmall.jpg

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Capítulo 4

La luz visible es aquella que varía de una longitud de onda de unos 7500 a 4000 Armstrongs,es decir, desde los infrarrojos hasta los ultravioletas. Entre estas longitudes están todos los colo-res del arco iris, que nuestros ojos pueden diferenciar. ¿Por qué sólo podemos ver una parte tanpequeña del espectro? Algunos biólogos asumen que se debe a que esta parte de las ondas elec-tromagnéticas son las que mejor penetran la atmósfera, de modo que la evolución permitió quenuestros ojos se adapten a estas frecuencias.

Los rayos ultravioletas (UV) vienen a continuación de la luz visible, son de mayor frecuen-cia y mayor energía y por tanto muy peligrosos para nosotros. Estos rayos pueden cambiar lospigmentos de la piel y por esto nos bronceamos al sol, pero también los de mayor energíapueden dañar las células de la piel produciendo quemaduras y cáncer al modificar los códi-gos genéticos. La luz del Sol contiene rayos UV de poca y mucha energía, por suerte los de granenergía no pueden penetrar fácilmente la atmósfera, ya que los detiene la capa de ozono exis-tente en la estratósfera. Esta es la razón por la cual hay que protegerse de los rayos del sol y evi-tar las quemaduras.

Los rayos X tienen unas frecuencias mayores a los UV y por tanto tienen mayor energía.Estas radiaciones son tan fuertes que pueden penetrar en la materia y en nuestros cuerpos.Por esto se pueden tomar radiografías usando rayos X, en las cuales se ven los diferentes órganosy los huesos muy claramente. Los rayos X también sirven para detectar fallas en las uniones ysueldas de metales y tuberías y por esto tienen muchos usos industriales.

Los rayos gamma son los de mayor energía del espectro electromagnético. Estos rayos sólose emiten en reacciones nucleares de mucho poder como en el Sol o en las explosiones ató-micas y de hidrógeno. Estos rayos también se producen en el espacio y nos permiten ver even-tos en que hay grandes explosiones como las de las supernovas.(Trefil y Hazen, Pag. 139-148)

Energías del futuroSe han desarrollado métodos para fabricar paneles solares

excepcionalmente eficientes, delgados y baratos. Hay nuevos com-bustibles para motores como el bio-diesel; desde hace ya muchosaños, se viene investigando la producción de enormes cantidades deenergía por medio de la fusión del deuterio. Los países europeosestán ya construyendo un reactor para este propósito en el sur deFrancia. Además, se han encontrado innumerables depósitos de gasmetano congelado en el fondo marino. Hay un pequeño organismounicelular que puede convertir los desechos orgánicos en etanol.Existen también plantas del desierto que pueden producir un com-bustible limpio para usarlo como combustible de los automotores.“El hidrógeno con el oxígeno, por medio de las pilas de combustible, puedetransformarse directamente en energía eléctrica y agua y de esta manera tienelas condiciones para ser la fuente de energía del futuro; éste es un combustiblecon un alto contenido energético, más del doble que la gasolina o el gas natu-ral, con reservas inagotables de materia prima de 1.500 millones de kilómetroscúbicos.”

Agotamiento de los recursos energéticosLos más importantes recursos no renovables actuales son los

combustibles fósiles como los derivados del petróleo, el carbón y elgas natural. Estos son explotados siguiendo tres modalidades dife-rentes:

1. “Explotación, utilización y desperdicio sin nuevos descubrimien-tos sustitutivos

Figura No. 4 - 13 Energía del hidrógenoFuente:http://www.monografias.com/trabajos26/agotamien-to-energetico/Image444.gif

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2. Explotación y reciclaje de los materiales, aumento de las reservas ymejora de la tecnología de extracción

3. Reciclaje, reutilización, reducción del consumo, aumento de la efi-ciencia de extracción y realización de nuevos descubrimientos”.El tercer método es sin duda el más adecuado.

GENERACIÓN DE ENERGÍAAntes de iniciar la descripción de las fuentes de energía en el planeta Tierra, es de gran utili-

dad conocer los grupos de recursos naturales que son indispensables para la generación de ener-gía. “Se puede generar energía con cualquier materia prima que pueda quemarse, como la biomasa, constituidapor los recursos de la naturaleza en base de carbono, por ejemplo los residuos de las cosechas y los restos de basu-ra.” También se pueden usar los combustibles fósiles como el petróleo y sus derivados, pero congraves problemas ambientales como la contaminación de la atmósfera, de los ríos y los suelosy con posibles consecuencias como el cambio climático y la polución generalizada. “Para pro-ducir energía por medio de minerales como la hulla y el carbón de piedra, que producen muchísima conta-minación, se requieren de investigaciones y transformaciones tecnológicas para lograr reducir y si es posibleeliminar estas secuencias de contaminación.” Todas las transformaciones de energía tienen comopropósito convertir las energías de baja calidad en otras de alta calidad, como el calor enmovimiento o electricidad para realizar algún tipo de trabajo. Por ejemplo, si se desea cruzarun lago con un bote se puede poner una vela para que sea el viento el que realice el trabajo ousar unos remos y así son las personas las que tienen que realizar el trabajo; también se puedeusar un motor con combustible o electricidad de baterías para impulsar el bote por el lago.Los primeros vehículos fueron impulsados por motores a vapor que obtenían su energía delcalor producido por combustibles tradicionales al quemar madera o carbón.

“Las transformaciones de energías de flujo, como el viento y las olas en electricidad también son otras posi-bilidades muy interesantes para producir energía que no contamina el ambiente y que son muy factibles enmuchas partes del planeta.”

El suelo y el agua son indispensables para la producción de alimentos, ya que son los quepermiten la transformación de energía solar en glucosa para los seres vivos de este planeta. Peroestos son recursos que se pueden malograr muy fácilmente, como ya ha sucedido en muchasregiones en que el riego y el uso intensivo de los suelos ha causado su salinización, volviéndo-les improductivos.

La energía geotérmica, aprovecha los yacimientos subterráneos de agua muy caliente y a granpresión y es adecuada para generar energía eléctrica. Dependiendo de la presión y temperatura deestos yacimientos, se clasifican como recursos energéticos de alta, mediana y baja entalpía, enten-diéndose por entalpía la suma total de las energías internas de un sistema.

También hay la posibilidad de generar energía nuclear con las reacciones de fisión, como yase hace en numerosos lugares usando reactores con uranio enriquecido, pero todavía no se logranresolver los problemas relativos a los desechos radioactivos y a la posible contaminación radiac-tiva de manera satisfactoria. También se investiga la producción de energía nuclear por fusiónde átomos de deuterio, pero la tecnología necesaria para controlar debidamente estos procesosextremadamente complejos está siendo perfeccionada especialmente en Europa como vimosantes. Las energías llamadas alternativas, como la solar, que es la transformación de la energíadel Sol directamente en energía eléctrica por medio de paneles solares de silicio se ha desarrolla-do enormemente, pero todavía hay varios problemas que resolver, especialmente la eficiencia dela transformación y el alto costo de estos paneles que requieren también de mucha energía parasu producción.

La energía del hidrógeno es sin duda una de las más interesantes y se están realizando

GENERACIÓN DE ENERGÍA

BiomasaEólica, Geo-térmica Solar Combustibles FósilesHidráulicaNuclearHidrógeno, la pila de combustible.

RREESSUUMMEENN

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Capítulo 4

muchas investigaciones para sustituir con hidrógenolos combustibles fósiles usados en los automotores. Elhidrógeno es inagotable, de alta eficiencia en la trans-formación y se logra reducir la polución atmosféricanotablemente, ya que los residuos que salen por lostubos de escape son solamente agua. A continuaciónveamos algunas tecnologías para la generación deenergía.

Energía de combustibles fósilesExisten tres tipos de combustibles fósiles: carbón,

petróleo y gas natural. Los tres se formaron hace cien-tos de millones de años antes de la era de los dinosaurios.Estos combustibles se forman de la descomposición de lamateria orgánica de plantas y animales. Cuando las plan-tas y animales se mueren, se descomponen y se integranen las capas geológicas de la Tierra. Después de muchoscientos de millones de años y por la presión y las tempe-raturas internas de las capas superiores, se forman el car-bón, el petróleo y los gases naturales que constituyen losprincipales combustibles de la época industrial. La com-bustión del carbón para producir calor genera, al mismo

tiempo, una serie de residuos como el dióxido de azufre y los óxidos nitriosos, además de unagran cantidad de partículas y monóxido de carbono que polucionan enormemente el ambiente.Estos contaminantes pueden ser reducidos usando filtros y precipitadores electrostáticos, pero ademásse producen grandes cantidades de ceniza y de residuos que deben removerse a los botaderos. Loscombustibles fósiles no son renovables y debido a su uso intenso y a la contaminación que producen,con toda seguridad serán sustituidos por otros no contaminantes, como el hidrógeno, en el siglo XXI.(Bradley, Fulmer Pag. 21-25)

Deffeyes en su libro Beyond Oil dice que “a principios del siglo XXI la producción de petroleo habrá deja-do de crecer y que en el año 2019 habrá bajado al 90% de su valor máximo, pero que la demanda continúa creciendo.

Mientras no haya un liderazgo políti-co mundial bien claro y decidido, lascosas continuarán empeorando conenormes tragedias y crisis como lasque estamos viviendo ahora. Los siste-mas de transporte en todo el planetadependen del petróleo de modo que lacrisis que se avecina en los próximosdiez años, determinará que tengamosque aprender cómo cambiar a losotros tipos de energías y cómo debe-mos ser más eficientes en el uso de lasactuales.” (Deffeyes Pag. 7-12)

Energía nuclearOtra de las formas de

generar energía es la nuclear. Esta energía es liberadadurante la fisión o fusión de núcleos atómicos median-te la transformación de la materia del núcleo en ener-gía. Las cantidades de energía que pueden obtenerse

mediante procesos nucleares superan con mucho a las que pueden lograrse mediante procesos

Figura No. 4 - 14 Pila de hidrógenoFuente::http://www.tecnociencia.es/especiales/hidrogeno/img/fcell_dia-gram_alkaline.gif

Figura . 4 - 15 Fisión y fusiónFuente:: Nhttp://www.monografias.com/trabajos6/enuc/Image1673.gifo

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químicos, que sólo implican los intercambios de electrones de las regiones externas al núcleo.

Fisión nuclearLas plantas de energía nuclear producen electricidad de la misma manera que las plantas tér-

micas que usan otros combustibles, enlas que el agua se calienta para producirvapor a muy altas temperaturas, la ener-gía térmica de este vapor mueve a lasturbinas que a su vez hacen girar a losgeneradores de electricidad. “Fusión escuando se divide al núcleo de un átomo, comoel uranio, en que se libera enormes cantidadesde energía en forma de calor que está conte-nida en la fuerza nuclear, fuerte, pero demanera controlada.” Si toda esta energíase libera de una sola vez se produce unaexplosión atómica, cosa que no puedesuceder en las centrales nucleares. Lascentrales de producción de energíanuclear utilizan uranio 238 enrique-cido con alrededor del tres por cientode uranio 235 como combustiblenuclear. Dentro del reactor,los núcleosde uranio se rompen por medio de neu-trones libres acelerados, liberandoenergía y más neutrones que a su vez chocan con otros núcleos produciendo una reacción encadena, controlada por medio de barras de grafito o cadmio que absorben gran cantidadde neutrones libres frenando las reacciones de fisión de esta manera.

En varias centrales nucleares se han producido accidentes como en Chernobil en Ucrania yThree Mile Island en Pennsilvania. (Bradley, Fulmer Pag. 25-29)

Fusión nuclearEs la otra forma en que se puede generar energía

al transformar la masa en energía. “Fusión significaunir dos núcleos de deuterio, el isótopo de hidrógeno, paraconvertirlos en un núcleo de helio. En este proceso se pierdeuna pequeñísima cantidad de materia que se convierte enenergía.” Las estrellas utilizan estos complejos meca-nismos para producir enormes cantidades de energíaque es liberada durante miles de millones de años.Los científicos están trabajando para poder controlarlas reacciones de fusión nuclear. Para esto han desa-rrollado una serie de aparatos muy complejos quepermiten mantener un plasma a altísimas tempera-turas dentro de un campo magnético cerrado enforma de un toroide. Sin embargo, los mecanismos decontrol y de estabilidad son muy complejos y aún no se obtienen los resultados esperados.Lo bueno de las reacciones de fusión es que producen mucho menos materiales radiactivos yel material de combustible hidrógeno, es prácticamente inagotable. (Bradley, Fulmer Pag. 25-29)

Figura No. 4 - 16 Fisión nuclearFuente:: http://www.madrimasd.org/cienciaysociedad/ateneo/temascandentes/energia_nucle-ar/images/fision_nuclear2.jpg

Figura No. 4 - 17 Fusión nuclear.Fuente: http://www.atomicarchive.com/Fusion/Images/fusion.jpg

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Capítulo 4

Energía hidráulicaDesde la antigüedad se

sabía que el agua que fluyedesde las montañas posee unaenergía cinética o de movimien-to que podía ser utilizada paramover los molinos a las orillasde los ríos. “Hace un siglo secomenzó a usar la energía hidráulicapara generar electricidad, al aprove-char la energía potencial del aguaque se halla en los lugares altos ytransformar la energía cinética de lascaídas de agua en energía hidroeléc-

trica, convirtiéndose en un recurso renovable.” Debido a losenormes problemas de polución ambiental de las cen-

trales térmicas, especialmente aquellas que usan carbón como combustible, se van aprovechandotodo tipo de caídas de agua y reservorios para dotarles de turbinas y convertirles en minicentra-les hidráulicas. Para esto es indispensable construir embalses y reservorios de agua muy grandesen las partes altas de las cuencas hidrográficas, que son construcciones muy costosas y grandes,por lo que resultan muy caros los proyectos hidroeléctricos y el valor de la energía alto, cerca de8 centavos de dólar por kWh. (Bradley, Fulmer Pag. 30-31)

Energía eólicaEs la energía cinética del viento, que como hemos dicho antes se produce por el calenta-

miento desigual de ciertas partes de la atmósfera, creando movimientos de convección en lasmasas de aire. “Aproximadamente el dos por ciento de la energía que nos llega del Sol se transforma en ener-gía eólica. En la antigüedad se aprovechó intuitivamente esta energía especialmente en los barcos de vela, en losmolinos de viento y en otros mecanismos movidos por el viento.” Actualmente usamos el viento para pro-ducir energía eléctrica y mecánica de muchas maneras, especialmente para bombear agua depozos. (Bradley, Fulmer Pag. 33-35)

Energía geo-térmica Esta palabra proviene de dos raíces, geo significa tierra y termos significa calor, es decir, la

energía que se obtiene del calor del interior de la Tierra. “En nuestro planeta existe una gran cantidadde reservas de energía en su interior y los ejemplos más clarosson los volcanes, aguas termales y géiseres. Diversos estudioscientíficos realizados en distintos puntos de la superficieterrestre han demostrado que en promedio, la temperatura delinterior del planeta aumenta en 3 ºC cada 100 metros de pro-fundidad. Este aumento de temperatura con la profundidad sedenomina gradiente geotérmico y se cree que varía al alcanzargrandes profundidades, superando en el centro de la Tierra los5.000 ºC.” La forma en que se utiliza esta energía espor medio de fuentes y baños termales, pero tam-bién se perforan pozos para inyectar y luego extra-er fluidos calientes. El aprovechamiento de este tipode energía es muy similar a la explotación hidrocar-burífera ya que hay que perforar pozos profundos yrequiere de altas inversiones para su exploración yexplotación. (Bradley, Fulmer Pag. 35-36)

Figura No. 4 - 18 Energía hidráulicaFuente:: http://www.apegr.org/imagenes/embalse-hidroelectrico.jpg

Figura No. 4 - 19 Energía geotérmicaFuente:: http://www.monografias.com/trabajos5/energia/Image60.jpg

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Energía solarComo vimos antes, la energía liberada por el Sol se transmite al espacio interplanetraio

mediante radiaciones electromagnéticas. Se ha calculado que el Sol pierde cada segundo cerca decinco millones de toneladas de masa de hidrógeno que se transforma en energía; esta energía sereparte en todas direcciones, de modo que la cantidad que llega a la Tierra es muy pequeña. Estaenergía es más que suficiente para las necesidades actuales de la humanidad, mas en el futuro,debido al continuo aumento de la demanda de energía, no será suficiente como veremos en elcapítulo doce.

La crisis del petróleo de principios de los años 70 del siglo XX elevó el precio de tal mane-ra, que hizo posible que la energía solar pasara a competir con las otras fuentes de energía con-vencionales. Se hicieron grandes inversiones en centrales experimentales en muchos lugares delmundo, demostrando que ciertamente es viable obtener energía del Sol, pero también se demos-tró la dificultad que plantea competir con los precios de otras fuentes de energía. En la actuali-dad el uso de paneles fotovoltaicos para lugares remotos está sustituyendo a los sistemasconvencionales.

“El sistema de aprovechamiento indirecto de la energía del Sol para producir energía eléctrica se denominaconversión fotovoltaica, para lo cual se usan paneles de células solares fabricadas de silicio, que tienen las pro-piedades específicas de los semiconductores, al permitir convertir el calor en electricidad. Por otra parte, existendispositivos para captar la energía solar térmica directamente, por medio de colectores solares. El colector es unasuperficie que, expuesta a la radiación solar, permite absorber su calor y transmitirlo a un fluido como el agua parasu posterior transformación en otras formas de energía.” (Bradley, Fulmer Pag. 39-40)

Energía de la biomasa“La biomasa es toda la materia orgánica, incluyendo materiales residuales de transformaciones naturales o

basuras como la biomasa natural, que se produce en la naturaleza sin la intervención humana. La biomasa resi-dual es la que se produce en los procesos agrícolas, ganaderos y del desarrollo como, basuras y aguas residuales.La biomasa producida es aquella que es cultivada con el propósito de obtener materia prima para producir com-bustibles, en vez de producir alimentos como la caña de azúcar en Brasil, que permite obtener etanol como com-bustible para vehículos automotores.” Están excluidos de la biomasa los productos agrícolas que sir-ven de alimentación al ser humano y a los animales, así como los combustibles fósiles. La bio-masa se puede aprovechar de dos maneras, quemándola para producir energía o transformándolaen combustible para su mejor transporte y almacenamiento. (Bradley, Fulmer Pag. 40-42)

El combustible hidrógenoDesde hace bastante tiempo se usa el hidrógeno como combustible, especialmente en los

cohetes en que se llevan tanques con oxígeno e hidrógeno líquidos, que se mezclan para produ-cir la ignición explosiva de estos dos gases, que producen una tremenda masa de gases calientesque salen por la parte posterior e impulsan al cohete, de acuerdo con la tercera ley de Newton dela acción y la reacción, ya que la acción del escape violento de los gases por las toberas, produceuna reacción que acelera el cohete en la dirección opuesta a la de los gases de escape.

En el siglo XIX se descubrió que “el hidrógeno gaseoso puede pasar ciertas membranas en presenciadel platino como catalizador. Al penetrar en la membrana los protones de los núcleos del hidrógeno pasan estamembrana, pero los electrones se separan y la energía eléctrica puede fluir por los conductores impulsando moto-res eléctricos”. Esta tecnología se la conoce como pila de combustible, desde 1839 en que el físicoinglés Sir William Grove la construyó por primera vez.

La pila de combustibleEs una de las tecnologías más prometedoras para usar el hidrógeno como combustible y gene-

rar electricidad, ya que puede usarse para cualquier propósito como generador de corriente eléc-trica. “A la primera pila le llamó Grove batería gaseosa, ya que es en esencia una batería que es recargada porun combustible químico, el hidrógeno, en vez de una recarga por medio de una corriente eléctrica inversa que eslo usual en las baterías de los vehículos actuales. Las pilas más eficientes son aquellas que funcionan con oxí-

geno e hidrógeno puros y el único producto de desecho que se produce es agua caliente.” Hasta hace pocosaños atrás esta tecnología se usaba solamente en submarinos y naves espaciales como lasApolo que llegaron a la Luna.

Las dos aplicaciones más prometedoras de las pilas de combustible son para generar elec-tricidad y para mover los motores eléctricos de los nuevos vehículos del siglo XXI. La gene-ración de electricidad se puede hacer en unidades centrales de generación o en otras pequeñasen las residencias y casas de las ciudades, para enviar la corriente eléctrica a la redes de dis-tribución. También se puede usar las pilas de los automotores como plantas de generaciónconectadas a redes de distribución eléctricas paralelas, ya que estos automotores están el 95%del tiempo estacionados en algún garaje. “Se ha estimado que cuando los setecientos millones de vehí-culos que hay en el planeta puedan generar electricidad con las pilas de hidrógeno y estén conectados a lasredes de distribución mundial, entonces se tendría muchas veces más energía disponible que la existenteactualmente de todos los sistemas centralizados de generación del planeta.”

Al disponer de estas pilas en los automotores del futuro, se solucionaría en parte elgran problema de la polución urbana causada por los combustibles fósiles como la gaso-lina o el diesel, ya que estas pilas son limpias, no polucionan, son confiables y se les puedehacer del tamaño que sea para ajustarse a las distintas aplicaciones. El único problema de estastecnologías es que no existe hidrógeno y oxígeno puros en la naturaleza, si bien el oxígenopuede ser sustituido por el aire con una ligera reducción en la eficiencia, hay que buscar laforma más adecuada y económica de extraer el hidrógeno de diferentes compuestos como elagua, el metanol, el gas natural o de ciertos hidrocarburos. “Hay cuatro tipos de pilas que se cons-truyen con propósitos comerciales: la de polímeros, la de ácido fosfórico, la de sales de carbonato y la de cerá-mica, todas éstas se diferencian en los requerimientos de hidrógeno, en la eficiencia y en la temperatura a lacual trabajan. Estas pilas serán las que cambien nuestro futuro, de la polución a la ecología profunda.”(Bradley, Fulmer Pag. 43-44)

Tiempo y energíaWilliam Blake en su libro The Marriage of Heaven and Hell, describe a la energía como

“el deleite eterno, es decir el generador de todo lo bueno, de la simetría y la belleza en el cosmos.” Una delas incógnitas permanentes de la ciencia es saber si con el paso del tiempo las leyes de la físi-ca cambian, se modifican y dejan de ser iguales a las que conocemos ahora. Se han hechomuchos experimentos y pruebas para tratar de medir y determinar si los fenómenos que tuvie-ron lugar hace miles de millones de años, se pueden explicar con las mismas leyes que cono-cemos hoy; hasta ahora se ha comprobado que no hay ninguna diferencia, que con el tiempoestas leyes no se han modificado.

“Desde hace cientos de años, se trata de crear máquinas que funcionen sin un flujo de energía constan-te, se les conoce a estos artilugios como perpetum mobile, es decir que logran moverse perpetuamente sinenergía constante, sólo con un impulso inicial; algo parecido a lo que sucede con los planetas girando alre-dedor del Sol.” Muchas patentes de invención han recibido estos aparatos, aun a fines del sigloXX, en que estos inventos son aparentemente más sofisticados y complicados. Uno de estosprocesos es el de la electrólisis del agua, en que una corriente eléctrica continua se aplica pormedio de dos electrodosal agua, y de esta manera se logra separar las moléculas de oxígeno ehidrógeno, obteniéndose estos dos gases.

“Hay todavía personas, instituciones e inversionistas que desconocen las leyes de la conservación de laenergía, que creen que el oxígeno y el hidrógeno se pueden combinar dentro de una pila de combustible, comovimos antes y que de esta manera se obtiene energía gratis en la forma de electricidad, además de agua comoresiduo del proceso. De esta manera aparentemente se obtiene el agua original más la energía eléctrica, portanto se está obteniendo más de lo que se ha puesto. Una empresa en 1970 emitió acciones que se vendían enlas bolsas de valores con este argumento y tuvieron mucho éxito con los inversionistas. A pesar de que luegose aclaró que no podía de ninguna manera existir una producción adicional de energía, mayor de aquella quese usó para separar a las moléculas del agua, las acciones no bajaron notablemente de precio.” Ledermanconsidera que “producir combustibles con fuentes alternas de energía como el hidrógeno y el oxígeno

107

Capítulo 4

puede ser conveniente, pero hay que estudiar detenidamente los efectos y circunstancias en que estos proce-sos suceden ya que es complicado mantener una contabilidad precisa.” (Lederman Pág. 45-53)

La energía se pierde en todos los procesos de transformación como veremos en el siguien-te capítulo de la Segunda Ley de la termodinámica, la ley más importante del Universo y cono-ceremos sus consecuencias para nuestro futuro.

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Figura No. 4 - 20 Espacio, tiempo, energía y materia de Einstein.Fuente: http://abyss.uoregon.edu/~js/images/space_time_energy.gif

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Capítulo 4

Figura No. 4 - 21 Ciclo de energíaFuente: http://www.oni.escuelas.edu.ar/2002/SANTIAGO_DEL_ESTERO/madre-fertil/imagenes/graficos/energia.gif

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Bibliografía

PREGUNTAS DE REPASO

ATKINS PETER. Galileo’s Finger. The Ten Great Ideas of Science. Oxford University Press. 2003. BLAKE WILLIAM The Marriage of Heaven and Hell. Dover Pubkications, London, 1994BRADLEY ROBERT L. Jr. FULMER RICHARD W. Energy, The Master Resource. An Introduction to the History, Technology, Economics,

and Public Policy of Energy. Kendall / Hunt Publishing Co. Iowa. 2004DEFFEYES KENNETH S, Beyond Oil, The View from Hubbert’s Peak. Hill an Wang, New York, 2005GRIBBIN JOHN Introducción a la Ciencia Título original: Almost Everyone´s Guide to Science

Traducción: Mercedes García Garmilla Editorial Crítica, S.L., Córcega, 270, 08030 Barcelona, España, 2000.LEDERMAN LEON M, HILL CHRISTOPHER T. Symmetry, and the beautiful universe. Prometheus Books, New York 2004TREFIL JAMES, HAZEN ROBERT M. The Sciences. An Integrated Approach. Third edition. John Wiley & Sons, New York. 2001.

PREGUNTAS DE REFLEXION1. Sabemos por la primera ley de la termodinámica que la

energía no se crea ni destruye, es decir, que siempre seconserva. Sin embargo, en muchos procesos donde serealiza un trabajo se dice que se pierde energía ¿Cómo esposible que esto suceda?

2. Sabemos que nuestro Sol es una estrella ordinaria de untamaño mediano conocida como una enana amarilla.Piensa en las consecuencias si el Sol no tuviese este tamañoy si no se encontrara a la distancia a la que se encuentra dela Tierra.

3. El Sol emite energía en forma de radiación electromag-nética, la mayoría de la cual no llega nunca a topar lasuperficie de la Tierra. Explica las consecuencias de queuna mayor proporción de estas ondas alcanzaran lasuperficie de nuestro planeta.

4. Entre los tipos de energía que hemos definido se encuen-tran la energía potencial química y la energía de la masa.Ambas son tipos de energía que se dan a nivelmicroscópico ¿Cuál es la diferencia entre ambas?

5. Para mantener el funcionamiento de nuestro cuerpo yrealizar nuestras actividades diarias necesitamos obtenerenergía a partir de los alimentos. ¿Cómo obtiene el cuer-po esta energía y qué tipo de energía es?

6. Durante miles de años de evolución, nuestros antepasa-dos tuvieron que soportar épocas de sequías y escasez de

alimentos, mientras que también tuvieron épocas deabundancia. ¿Cómo crees que se adaptó nuestro cuerpopara poder sobrevivir durante este tipo de transiciones?

7. Sabemos que las ondas de sonido necesitan un medio(como el aire) para trasladarse. Sin embargo, no se puededecir lo mismo de las ondas electromagnéticas, las cualesse propagan en el vacío. ¿Por qué sucede este fenómeno?

8. La energía electromagnética comprende un enormerango de frecuencias de ondas, incluyendo el rango dela luz visible. ¿Por qué crees que los humanos sólopodemos ver unas frecuencias que coinciden con laluz visible?

9. Conocemos que existen tres mecanismos por loscuales se transfiere energía térmica de un lado a otro:conducción, convección y radiación. Da un ejemplode una situación en la cual podamos observar los 3fenómenos al mismo tiempo.

10. En este capítulo hemos visto algunas formas tradi-cionales de generar energía utilizable (petróleo, gas,etc.) y hemos visto formas alternativas de lograr lomismo. Algunas son más eficientes y económicas queotras y la producción de energía varía enormemente.¿Cómo se puede justificar el uso de combustiblesfósiles considerando los conceptos presentados en estecapítulo?

Del calor a la energía.1. ¿Dónde se encuentra ubicado el Sol y a qué distancia se encuentra la Tierra de éste?2. ¿Cómo se genera la energía del Sol?3. ¿Cómo se producen los vientos en nuestro planeta?¿Qué es la energía?4. ¿Cómo se define energía?5. Relaciona mediante un ejemplo, trabajo y gravedad.Tipos de energía.6. ¿Por qué puede afirmarse que el calor es una forma de energía cinética?7. ¿Cómo se define trabajo en el ámbito científico?8. ¿Cómo se define la potencia?9. ¿Por qué puede decirse que las ondas sonoras son una forma de energía cinética?10. ¿En qué consiste la radiactividad?11. ¿Cómo se transforma la energía –desde su origen al destino final- en las plantashidroeléctricas?Primera Ley de la termodinámica.12. Enuncia la Primera Ley de la termodinámica.13. ¿Por qué se dice que no es posible inventar un motor (u otro dispositivo que despliegue movimiento) que funcione en forma perpetua?14. ¿Cómo se relaciona la energía con nuestra contextura física?

15. ¿Cuál es el concepto moderno de calor?16. ¿En qué consiste la conducción?17. ¿En qué consiste la convección?18. ¿En qué consiste la radiación?Las ondas electromagnéticas.19. ¿En qué consisten los conceptos de: velocidad, frecuencia, longitud y amplitud de onda?20. ¿Cómo se explica que las ondas electromagnéticas se propaguen en el vacío?21. ¿En qué consiste el éter? ¿Aún es una teoría vigente?22. ¿Cuáles son los principales componentes de las ondas electromagnéticas?23. ¿En qué consistiría la fusión fría y cuál sería su importancia?Generación de energía.24. ¿En qué consiste la biomasa y cuál es su importancia?25. ¿En qué consiste la energía eólica y cuál es su importancia?26. ¿En que consiste la energía geotérmica y cuál es su importancia?27. ¿En qué consiste la energía solar fotovoltaica y cuál es su importancia?28. ¿Cómo se forman los combustibles fósiles?29. ¿Cómo se aprovecha la energía hidráulica?30. ¿Cómo se aprovecha la energía nuclear?31. ¿Cuál es la diferencia entre fisión y fusión nucleares?

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Capítulo 5

INTRODUCCIÓN

Sabemos que es prácticamente imposible recolectar todas las moléculas de un huevo que caey se rompe en el piso de la cocina, para formar uno nuevo. Nuestras habitaciones, escritoriosy oficinas siempre se desordenan en el transcurso de un día, a pesar de nuestros esfuerzos por

mantenerlos ordenados. A medida que envejecemos, notamos que nuestras facultades y habilidades vandesmejorando.

“La primera ley de la conservación de la energía” que vimos en el capítulo anterior, “no menciona elhecho de que las cosas tienen necesariamente que degenerarse con el paso del tiempo.” La energía que segasta para desordenar el dormitorio es la misma que se usa para arreglarlo. “Existe una tendencianatural para que las cosas tiendan hacia el desorden y esta direccionalidad de la naturaleza puede ser reconoci-da en todos los procesos que se producen en nuestro mundo y en el universo.”

La tendencia normal de todo proceso es cambiar de un estado improbable a uno más proba-ble, esto significa que existe una dirección para la evolución del universo. Desde el punto devista de la energía, no hay razón para que no ocurran situaciones improbables. “Los científicos delsiglo XIX estudiaron el calor y el movimiento de los átomos y de las moléculas y descubrieron las razones queexplican esta direccionalidad de la naturaleza, que se llama la ciencia de la termodinámica, pero especialmentesu segunda ley también llamada de la entropía que veremos en este capítulo.”

Los principios de la termodinámica se pueden resumir en dos leyes, que tienen gran impor-tancia y aplicación en amplios sectores de la ciencia y son aplicables en todo el Universo y nosólo al diseño y la construcción de máquinas térmicas. La primera Ley de la termodinámica quevimos en el capítulo anterior, se conoce también como Ley de conservación de la energía y diceque la energía total de un sistema cerrado permanece constante. “La segunda ley de la termodiná-mica es sin duda la más importante de las leyes de la naturaleza, también llamada de la entropía que permitecuantificar el desorden que hay en el universo o en un sistema cerrado.”

Podemos visualizar la direccionalidad de la entropía hacia eldesorden con el siguiente ejemplo: al colocar en una habitacióncerrada un frigorífico con la puerta abierta y el motor funcionando,la habitación se calentará porque la energía que consume el motor alcalentarse será mayor que el efecto refrigerante del frigorífico abier-to. Dice Gribbin en su libro Introducción a la ciencia, que: algún bro-mista resumió los significados de la segunda ley de la termodinámica, en térmi-nos coloquiales de la siguiente manera:

No se puede ganar, esto significa que en todo proceso natural y enlas actividades humanas, nunca podemos sacar más de lo que pone-mos en trabajo, energía o insumos de cualquier tipo. Aun cuando secrea orden en algún lugar, en otro lugar se está gestando un desordenmayor al orden que se crea.

No se puede ni siquiera empatar, quiere decir que siempre perdemosen los procesos termodinámicos, lo que sacamos es siempre menorde lo que ponemos.

5DEL ORDENAL DESORDEN

Not knowing the Second Law of thermodynamics is like never having read a work of Shakespeare

C. P. SNOW (“THE TWO CULTURES”)

Entropía o la degeneración de la energía

DEL ORDEN ALDESORDEN

La Segunda Ley de la termodiná-mica• Si un huevo cae y se rompe en elpiso, es prácticamente imposiblerecolectar todas las moléculas delhuevo y formar uno nuevo.

• La tendencia normal de todoproceso es cambiar de un estadoimprobable a uno más probable.

• No se puede ganar.

• No se puede empatar.

• No se puede abandonar el juego.

RESUMEN

112


No se puede abandonar el juego, significa que aun sin hacer absolutamente nada perdemos, no hayforma de evitar perder, los procesos de degeneración, desorden y muerte son automáticos, no tienenque iniciarse en cierto momento sino que están en todo momento funcionando hacia la degeneracióny el desorden. (Gribbin, Pag. 27)

HISTORIAUno de los fenómenos más interesantes del universo y de nuestro mundo es que los cambios

se producen constantemente. Sabemos muy poco sobre cómo se producen y cuáles son las fuer-zas y condiciones que desatan estos cambios. Cambios que a veces se convierten en verdaderascatástrofes naturales que acaban con gran cantidad de especies de nuestro planeta. En este capítu-lo vamos a explorar y tratar de explicar el porqué de muchos de estos cambios, cuál es ladinámica de los mismos, qué circunstancias los desatan y cuáles son las leyes que rigen estosprocesos de cambio.

En esta investigación vamos a entender ¿por qué un plato de sopa caliente se enfría enpoco tiempo? o ¿por qué cuando se abre una puerta o ventana, el aire caliente del interiorfluye hacia afuera? El calor siempre fluye hacia donde está más frío y no es el frío el que entraa los cuartos para enfriarlos. También vamos a comprender ¿cómo funcionan los motores, tam-bién llamados máquinas térmicas? que han sido los instrumentos fundamentales para generar eldesarrollo industrial y tecnológico, es decir para crear orden, pero también son los principalescausantes de la contaminación y polución que tenemos en la mayor parte del planeta, ya que

vamos a comprender que la creación de desorden siempre esmayor.

“La termodinámica es la ciencia que estudia la transformación de energía entodos los procesos térmicos, especialmente en las máquinas térmicas. Al mismotiempo veremos como la energía al transformarse se degenera en formas cada vezmenos sofisticadas e inútiles.” La termodinámica se inició con la investiga-ción de cómo mejorar la eficiencia de los motores a vapor, que en lossiglos XVIII y XIX eran los principales impulsores del desarrolloindustrial yde lassociedadesimperialis-

tas.

La máquina de vaporDice Atkins en su libro Galileo´s

Finger que: “la máquina de vapor pareceun monstruo sucio y molestoso, pero fue lafuerza que prevaleció y transformó a todo elmundo industrial y de hecho es un modelo delfuncionamiento del universo, ya que todos losprocesos de la naturaleza se parecen a los pro-cesos termodinámicos dentro de la máquina devapor”. El desarrollo de la ciencia vaasociado con el aumento de la capaci-dad de abstracción, de modo que, “en elsiglo XIX cuando los ingenieros e investigado-res se propusieron entender los procesos inter-nos de las máquinas de vapor, al abstraer sufuncionamiento se logró por primera vez vis-

HISTORIA• La termodinámica estudia las transformaciones de energía entrabajo.

• Pero la energía al transformarse se degenera en formas cada vezmenos sofisticadas e inútiles.

• La termodinámica se inició conla investigación de la eficiencia en los motores a vapor.

RESUMEN

Figura No. 5 - 1 La máquina de vaporFuente: http://www.mundofisico.joinville.udesc.br/imagem.php?idImagem=375

lumbrar los procesos termodinámicos y se llegó a entender la esencia del mecanismo interno de estos procesos ycon ellos del funcionamiento termodinámico de la vida y del universo.”

Los ingenieros y técnicos de esa época se concentraron en mejorar el funcionamiento y la efi-ciencia de las máquinas de vapor, para obtener más trabajo mecánicocon menores cantidades de carbón. Para esto debieron realizar nume-rosos experimentos y pruebas para establecer cuál era el mejor mediopara transmitir el calor. Había que determinar si el agua era mejor, olos aceites u otros fluidos, o gases como el aire. ¿Cuál era la mejortemperatura para obtener la máxima presión y trabajo mecánico,sin destruir a los aparatos? Fue el ingeniero francés Sadi Carnot,quien se concentró en resolver gran parte de estos enigmas a principiosdel siglo XIX. Como veremos a continuación, los principales pen-sadores de la termodinámica del siglo XIX fueron Sadi Carnot(francés), William Thomson (Lord Kelvin, inglés), RudolphClausius (alemán) y Ludwig Boltzmann (austríaco).

Sadi Carnot Nació en París en 1796 como tercer hijo de un político, militar y físico de la época de la

Revolución, los dos primeros hijos también se llama-ron Sadi, pero murieron. Primero entró en la miliciay participó en la defensa de París, luego se retiró y sededicó al estudio de los procesos de destilación delos gases y a las propiedades de los vapores. En 1824publicó un libro titulado Reflexiones sobre lapotencia motriz del fuego y las máquinas propiaspara desarrollar esta potencia, obra que pasó al olvi-do hasta que fue descubierta por Lord Kelvin. En estaobra establece el principio de Carnot, según el cual“la transformación de calor en trabajo mecánico sólo es posi-ble si existen dos reservorios de calor con diferentes tempera-turas”. “También demostró la equivalencia que existe entre eltrabajo y el calor y es el iniciador de la termodinámica.”(Nueva Enciclopedia Larousse)

Carnot estaba equivocado en cuanto a lo que erael calor, ya que creía que era un fluido llamado enese entonces caloricum, que pasaba de los reservorioscalientes a los más fríos y en el camino producía traba-jo mecánico; él ya sabía que el calor al ser un fluido nopodía ser creado ni destruido, pero fue lo suficiente-mente astuto para darse cuenta de que “lo importante enestos procesos es la diferenciade temperatura de los reservo-

rios y que la eficiencia no tenía nada que ver con la presión, ni con el medio quese usaba para transmitir el calor, solamente dependía de la diferencia de tempera-turas,” de modo que lo más importante era subir al máximo la tempe-ratura del reservorio caliente y bajar la del reservorio frío. Los inge-nieros de esa época creyeron que estas conclusiones eran ridículas yabsurdas y no le prestaron mayor atención al libro de Carnot, hasta quecayó en manos del gran físico inglés, William Thomson que luego seconvirtió en Lord Kelvin. (Atkins, Pag. 112)

113

Capítulo 5

La máquina de vapor

• La máquina de vapor fue lafuerza que prevaleció y transfor-mó al mundo industrial.

• Es un ejemplo del funcionamien-to del universo.

• Todos los procesos de la natura-leza se parecen a los procesos ter-modinámicos dentro de la máqui-na de vapor.

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Sadi Carnot

• En 1824 publicó un libro tituladoReflexiones sobre la potenciamotriz del fuego y las máquinaspropias para desarrollar estapotencia.

• En esta obra establece el princi-pio llamado de Carnot que dice:

• La transformación de calor entrabajo mecánico sólo es posiblesi existen dos reservorios de calorcon diferentes temperaturas.

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Figura No. 5 - 2 Sadi CarnotFuente:: http://br.geocities.com/saladefisica3/fotos/carnot.jpg

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William Thomson (Lord Kelvin) Nació en Belfast en 1824, hijo de un profesor de Matemáticas, fue profesor de Física en

Glasgow y presidente de la Sociedad Real de Londres. Estudió el calor y la electricidad, deter-minó las variaciones del punto de fusión del hielo con la presión y el enfriamiento provocadopor la expansión de los gases, que es el principio en que se basan todas las refrigeradoras y acon-dicionadores de aire del mundo. “Sus trabajos en termodinámica le permitieron establecer la escala de tem-peratura (escala de grados kelvin) que se inicia en el cero absoluto, a menos 273 grados Celsius y es la únicaque se puede usar con las fórmulas de la termodinámica. Kelvin realizó enormes contribuciones en los camposde la electricidad, geofísica, geología y desarrolló el primer integrador mecánico; es considerado el inventor delas computadoras analógicas” (Nueva Enciclopedia Larousse).

Thomson en colaboración con James Joule desbarató la teoría del caloricum e identifi-có al calor como una forma de energía, de modo que las máquinasde vapor fueron consideradas desde entonces como máquinas térmi-cas, en que la energía del calor era convertida en trabajo mecánico.Las máquinas térmicas incluyen a las turbinas de vapor, los moto-res a reacción y los motores de combustión interna, que muevena la mayor parte de transportes en el planeta actualmente. “Kelvinse inspiró en los trabajos de Carnot y en su libro Reflexiones, le dio una formamatemática más adecuada, pero al mismo tiempo se dio cuenta que el compo-nente más importante del motor a vapor era el reservorio frío, que es el entornoo ambiente en el cual se descargan los restos del calor del motor.” De modoque estableció que, en principio, todas las máquinas térmicas tienenque contar con un reservorio frío. (Atkins, Pág. 113-114)

Rudolph ClausiusNació en la región de

Pomerania, Alemania en 1822 y fue profesor de físicade la Escuela de Artillería de Berlín y luego delPolitécnico de Zurich y otras universidades alemanas.“Al principio se dedicó a investigar las matemáticas de la elas-ticidad, pero luego entró en el campo de la termodinámica ydesarrolló el principio de la entropía, el equivalente mecánicode la caloría y la teoría cinética de los gases.” (NuevaEnciclopedia Larousse)

Clausius publicó su libro Ueber die bewegendeKraft der Waerme (Sobre la fuerza motriz del calor),en que estableció otro de los principios de la termodiná-mica que dice que: “el calor no puede fluir espontáneamentede un cuerpo frío a uno caliente.” Esto no significa que esteproceso es imposible, ya que se lo practica en todos losaparatos de refrigeración, pero en todos estos casos esnecesario introducir en el sistema energía externa parapoder realizar este trabajo. “Si comparamos los principios deKelvin y Clausius vemos que ambos son equivalentes, ya que si laenergía pudiera pasar espontáneamente del frío al calor, entonceslas máquinas térmicas podrían funcionar sin un reservorio frío, ysi una máquina puede funcionar sin el reservorio frío, entonces la energía puede fluir del frío al calor, lo que sabemosque no es posible de acuerdo a la segunda ley de la termodinámica.”

Clausius concibió el concepto de entropía como una medida de la calidad de la energía,de tal manera que mientras menor es la entropía, mayor es la calidad de la energía. Las mejoresenergías son aquellas como la electro-magnética o la electricidad y la química; la peor es la ener-gía cinética de los átomos llamada calor.

Clausius determinó una manera para medir la entropía al desarrollar los conceptos de la

Lord Kelvin

• Establece la escala de tempera-turas llamada grados Kelvin.

• Realizó enormes contribucionesen la Electricidad, Geofísica,Geología y desarrolló el primerintegrador mecánico.

• Desbarató la teoría del calori-cum, e identificó al calor comouna forma de energía

• Desde entonces las máquinas de vapor fueron consideradascomo máquinas térmicas.

RESUMEN

Figura No. 5 - 3 Rudolph ClausiusFuente:: http://physlab.snu.ac.kr/images/portrait/clausius.jpg

Segunda Ley de la ermodinámica, e introdujo la ecuación para cal-cular el cambio en la entropía de un sistema de la siguiente manera:

El cambio en entropía = energía introducida como calor / temperatura

a la cual ocurre la transferencia

Nuestros cuerpos están transformando constantemente energíapotencial química de los alimentos en energía térmica que se disipaen el entorno que nos rodea, de este modo nosotros aumentamos laentropía de nuestro hábitat. Pero la entropía de nuestros cuerpos encambio disminuye a medida que pierde energía como calor. “Esimportante notar que solamente los cambios en la entropía se producen cuandola energía está en forma de calor, no sucede esto cuando la energía está enforma de trabajo. El trabajo no aumenta ni reduce la entropía.”

Clausius propuso el principio de que “la entropía en un sistemacerrado nunca disminuye, que unifica los principios antes mencionados de quetodo motor tiene necesariamente que desperdiciar parte de la energía que reci-be.” Este principio es el más interesante de todos y Clausius lo resu-mió diciendo: “Die Energie del Welt ist konstant; die Entropie del Welt strebteinem Maximum zu” (La energía del mundo es constante; la entropíadel mundo busca alcanzar un máximo). (Atkins, Pág. 115-119)

Ludwig Boltzmann Nació en Viena en 1844 y fue profesor de física y matemática en

Graz, Munich y Viena. “Fue uno de los creadores de la teoría cinética de losgases y de la formulación matemática de la ecuación de la entropía, relacionán-dola con las probabilidades.” Boltzmann descubrió que la entropía es proporcional al logaritmo delnúmero de maneras microscópicas de organización de un estado de la materia. Luego demostró

termodinámicamente la ley de la radiación también llamadaley de Stefan-Boltzmann. (Nueva Enciclopedia Larousse)

Dice Atkins que “fue Boltzmann el que vio con mayor profundi-dad en la naturaleza de la materia”, hasta que se ahorcó, decepcio-nado por la incomprensión y el rechazo a sus ideas por partede sus congéneres. “Boltzmann demostró que la entropía es unamedida del desorden, mientras mayor es el desorden, mayor es la entro-pía”. Esto lo podemos apreciar en los cambios de estado delagua desde el hielo al vapor: el hielo es el más ordenado deestos tres estados, por tanto el de menor entropía. El aguatiene un mayor desorden que el hielo, por tanto su entropía esmayor; por último cuando el aguase evapora pasa a un estado gase-oso de mayor desorden, donde laentropía llega a su máximo.

“Cuando la energía escapa de uncuerpo caliente, los movimientos térmi-cos de las moléculas de aire que rode-

an al cuerpo caliente se incrementan y por tanto la entropía del entorno del cuer-po se incrementa.” Cada vez que nos encontramos con desorden tam-bién nos encontramos con entropía, de modo que esta es una maneramuy sencilla de entender la segunda ley, como el proceso deaumento del desorden en el Universo. La segunda ley nos dice quela entropía nunca disminuye, esto significa que el orden molecular

115

Capítulo 5

Rudolph Clausius

• Clausius publicó su libro Sobre lafuerza motriz del calor, en queestableció otro de los principiosde la termodinámica.

• Que dice: el calor no puede fluirespontáneamente de un cuerpo frío a uno caliente.

• Clausius concibió el concepto de entropía como una medida de lacalidad de la energía.

• Mientras menor es la entropía,mayor es la calidad de la energía.

• Las mejores energías son aque-llas como la electro-magnética ola electricidad y la química, lapeor es el calor.

• El cambio en entropía = energía introducida como calor / tempera-tura a la cual ocurre la transferen-cia.

• Nuestros cuerpos están trans-formando constantemente ener-gía potencial química de los ali-mentos en energía térmica, quese disipa en los sitios en que habi-tamos, de este modo nosotrosaumentamos la entropía de nues-tros entornos.

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Figura No. 5 - 4 Ludwig BoltzmannFuente::http://content.answers.com/main/content/wp/en-com-mons/thumb/5/58/225px-Boltzmann2.jpg

Ludwig Boltzmann

• Fue Boltzmann el que vio con mayor profundidad en la natura-leza de la termodinámica.

• Hasta que se ahorcó decepcio-nado por la incomprensión yrechazo a sus ideas de sus congé-neres.

• Boltzmann demostró que laentropía es una medida del desor-den, mientras mayor es el desor-den, mayor es la entropía.

RESUMEN

nunca puede aumentar por si solo. Que es lo mismo que decir que las moléculas por sí solas no sepueden unir y formar una estatua, o que un huevo puesto sobre la mesa no se convierte por sí soloen un huevo frito. “Esto significa que la dirección en que apunta la flecha del tiempo para todos los procesosnaturales es hacia un mayor desorden, que la energía se degrada y se dispersa, de manera que naturalmente elmundo empeora todo el tiempo.” (Atkins, Pag. 120-124)

ENTROPÍA Y TERMODINÁMICALa palabra entropía proviene del griego y significa evolución, sin embargo, como hemos

visto antes, la entropía es una medida de la evolución hacia el desorden de un sistema físico.“Según la segunda ley de la termodinámica, la entropía o energía degenerada en un sistema aislado, perma-nece constante o se incrementa, nunca puede disminuir, pero en ciertos procesos, el orden puede aumentar.”Tomemos el caso del agua en el congelador,después de cierto tiempo, se hace hielo, elcual tiene mayor cantidad de orden. Pero estose logra solamente si al sistema entra conti-nuamente energía desde el exterior. En elcaso del congelador de una refrigeradora,como es un sistema abierto, entra energíaeléctrica al motor desde el exterior.

“Según la segunda ley de la termodinámica, laentropía aumenta en los procesos irreversibles, queson aquellos en que no se puede revertir a las condi-ciones iniciales.” Por ejemplo, si un huevo serompe, es imposible recoger todo para con-vertirlo en un nuevo huevo crudo. Todos losprocesos espontáneos son irreversibles, esdecir, no pueden volver a su estado inicial, nopodemos volver al pasado y rehacer las cosas,de modo que se dice que la entropía delUniverso está incrementando. De esta manerahay más energía degenerada en forma decalor, que no puede ser aprovechada y poresto se dice que el universo tiende hacia eldesorden.

“Un aumento de entropía va siempre acompañado de la disminución de lasposibilidades para que se pueda realizar un trabajo productivo.” De modo que“la entropía representa la medida de la energía degradada o disipada que ya nopuede ser recuperada para realizar un trabajo útil.” En el universo la canti-dad total de energía y materia se mantienen constantes, pero alaumentar la entropía la energía disponible es cada vez menos útil. Sepuede comparar a la entropía con la inflación monetaria de unpaís, a medida que aumenta la inflación la moneda del país valemenos.

Estructuras complejas y disipativasDesde la época de Aristóteles se sabía que los cuerpos de los

seres vivos se encuentran en un estado de equilibrio no muy estable.Existen constantemente intercambios de energía con el ambienteexterior y cambios en los sistemas internos, que se manifiestan en los

seres vivos como un estado de fluctuaciones, tendiente a la homeostasis (proceso por el cual unorganismo mantiene las condiciones internas constantes necesarias para la vida).

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ENTROPÍA Y TERMODINÁMICA

• La palabra entropía proviene delgriego y significa evolución.

• La entropía es una medida deldesorden de un sistema físico.

• La entropía o energía degenera-da en un sistema aislado, perma-nece constante o se incrementa,nunca puede disminuir.

• En ciertos procesos, el ordenpuede aumentar siempre que eldesorden aumente en otros luga-res.

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Figura No. 5 - 5 Entropía.Fuente:: http://www.manerasdevivir.com/grupos/pics/entropia_050905155415.jpg

La comprensión de las estructuras internas de los sistemasabiertos proporcionó una nueva perspectiva, pero no solucionó el dile-ma que se produce en los seres vivos, en que el orden aumenta con-tradiciendo aparentemente a la segunda ley de la termodinámica,que dice todo lo contrario. A mediados del siglo XX, el ganador del pre-mio Nobel, Ilya Prigogine, en su libro Order out of Chaos introduceel concepto clave de estructuras disipativas, que están en un estado ale-jado del equilibrio, con cambios continuos en el metabolismo, de modoque “un organismo está constantemente creando orden si recibe energía perma-nentemente del exterior, pero al mismo tiempo disipa energía que sale del cuerpoen forma de calor.”

Prigogine comprendió que la termodinámica clásica era inade-cuada para describir los sistemas alejados del equilibrio. “Lejos delequilibrio se producen fenómenos de retroalimentación muy complejos. Mediante ecuaciones diferenciales quese aplican a los sistemas dinámicos, fue posible describir el comportamiento de estos sistemas complejos, quedemuestran una característica muy peculiar y es que son atraídos a ciertos estados estacionarios denominadosatractores, sin importar las condiciones iniciales del sistema. De modo que estos sistemas no siguen ninguna leyuniversal, sino que cada sistema tiene un atractor o comportamiento específico. En determinadas condicioneslos sistemas complejos alejados del equilibrio llegan a una situación especial llamada bifurcación y en éstas con-diciones el sistema puede optar por dos vías diferentes de cambio, sin que sea posible predeterminar por cuál víael sistema se bifurcará.”

La segunda ley nos dice que en los sistemas cerrados en que no hay un intercambio de mate-ria y energía con el entorno, la medida del desorden es la entropía que aumenta inevitablemente.Boltzmann argumentaba que este aumento se debe a la tendencia estadística del sistema de pro-bar todas las posibles ordenaciones de sus componentes. La consecuencia de la segunda ley esque el orden tiende a desaparecer, de modo que para mantener una cantidad adecuada de orden esnecesario que se haga mucho trabajo usando grandes cantidades de energía. “Cuando no se hace eltrabajo suficiente o no hay las energías necesarias, caemos en una espiral descendente que va hacia el caos.”

La vida es, sin duda, uno de los más deslumbrantes ejemplos de creación de orden pormedio de procesos como la selección natural y la evolución. Los últimos 550 millones de añosson testigos silenciosos de una serie de extinciones masivas de especies, por diferentes causas ydel resurgimiento de otras especies, entre ellas la especie humana. Parece ser que varias de estasextinciones se debieron a grandes catástrofes causadas por cometas o grandes meteoros que cho-caron contra la Tierra. Pero hay varios investigadores como Kaufmann que afirman que “puedehaber otra explicación posible, que éstas se produjeron debido a la dinámica normal de estas comunidades de espe-cies, la lucha por la sobrevivencia para adaptarse a los cambios grandes y pequeños y a la necesidad de coevolu-cionar con otras especies. Esto produjo la extinción de algunas de estas especies, para permitir que ciertos nichosecológicos sean liberados para nuevas especies que aparecieron luego. Puede ser que el futuro de todos los siste-mas complejos sea evolucionar a un estado natural entre el orden y el caos.”

Los principios de la Segunda LeyComo vimos antes, el concepto de entropía está también íntimamente relacionado con el

desorden y ya sabemos que “en un sistema en que aumenta la entropía, también aumenta el desorden, demodo que es una regla universal la tendencia natural de pasar del orden al caos”. Los ejemplos de estos pro-cesos abundan en la naturaleza y en la vida diaria; debemos arreglar y limpiar todos los días lashabitaciones y oficinas donde vivimos y trabajamos, sino el desorden y el caos aumentan inme-diatamente. Si en una ciudad se interrumpe la recolección de basura, pronto se vuelve poco menosque imposible vivir en estas condiciones. “Lo importante es entender que mientras aumenta la entropíaen un sistema cerrado o aislado, sus posibilidades de evolucionar y cambiar disminuyen.”

El comportamiento de la energía en el Universo es predecible, ya que de acuerdo a la prime-ra ley de la termodinámica, la cantidad total de energía es constante aunque ésta puede transfor-marse muchas veces de una forma a otra. Cuando se transfiere la energía de un lugar a otro enforma de calor, puede fluir por conducción, convección o radiación, como vimos en el capítulo

117

Capítulo 5

Estructuras disipativas

• Prigogine introduce el concepto de las estructuras disipativas.

• Aquellas que están en un estadoalejado del equilibrio, con cambioscontinuos.

• Creando orden si reciben ener-gía permanentemente del exte-rior.

• Pero al mismo tiempo disipanenergía que sale del sistema enforma de entropía y desorden.

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anterior; pero el aspecto importante relacionado con la energía es ladirección de su flujo, es decir, que las cosas frías tienden a calentar-se y las calientes a enfriarse y que un huevo roto no puede ser recons-truido.

Todas estas ideas de sentido común son parte de la segunda leyde la termodinámica que se expresa con los tres principios siguien-tes:

“1.- En un sistema cerrado, el calor no puede fluir espontáneamente de un cuer-po frío a uno caliente

2.- No existe una máquina que pueda convertir absolutamente todo el calor entrabajo

3.- Un sistema cerrado, con el tiempo tenderá a volverse más desordenado.”

El flujo del calorEl primer principio de la Segunda Ley de la termodinámica se

refiere a la temperatura relativa de los reservorios de energía en losprocesos térmicos. Como se mencionó antes, la energía fluye espon-táneamente desde el reservorio caliente al reservorio frío, pero desdeel punto de vista de la primera ley de la conservación de la energía,no hay razón para que la naturaleza trabaje de esta manera. La canti-dad de energía también se conserva si el calor del reservorio frío fueratransmitido al reservorio caliente. Sin embargo, el universo no fun-ciona de esta forma: “en la naturaleza el calor fluye espontáneamente en sólouna dirección, del reservorio caliente al frío.”

Cuando dos objetos chocan y uno de ellos se mueve más rápidoque el otro, el objeto que se movía más lentamente adquiere velocidad,es decir, mayor energía cinética y aquel que se movía más rápidamen-te pierde parte de su velocidad, es decir, la misma cantidad negativa deenergía cinética. “A nivel molecular sucede algo muy parecido, ya que las molé-

culas que tienen mayor energía cinética se mueven más rápidamente y cuando chocan con las moléculas más len-tas de menor energía, éstas últimas reciben parte de la energía de las más rápidas; este modelo explica cómo la ener-gía fluye desde las regiones calientes hacia las frías.” (Trefil, Hazen. Pag. 86)

Eficiencia de las máquinasEl segundo principio pone una restricción importante en la forma como podemos usar la

energía en las máquinas térmicas. Aparentemente no parece que este segundo enunciado estérelacionado con el primero, que dice que la energía nunca fluye del reservorio frío al caliente.Sin embargo, estas dos afirmaciones son equivalentes y si la primera es verdadera, la segundatambién. Vimos antes que la energía se define como la capacidad para hacer un trabajodeterminado, por ejemplo, al transformar la energía térmica en una turbina de vapor que muevea un generador eléctrico, que a su vez produce una corriente eléctrica, parte de la energía queentra a la turbina y al generador se desperdician y son disipadas al ambiente y no pueden serrecogidas para producir más trabajo. “Esta energía disipada se pierde pero no se destruye, simplemente nose la puede reutilizar. Se usa el término eficiencia para cuantificar la pérdida de energía útil, la eficiencia es lacantidad de trabajo que se obtiene de una máquina, dividida por la cantidad de energía que ingresa en la máqui-na.”

Eficiencia = Trabajo mecánico desarrollado / Energía total ingresada

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Entropía y desorden

La segunda ley de la termodiná-mica tiene tres principios que son:

• En un sistema cerrado el calorno puede fluir espontáneamentede un cuerpo frío a uno caliente

• No existe una máquina quepueda convertir absolutamentetodo el calor en trabajo

• Un sistema cerrado, con eltiempo tenderá a volverse másdesordenado.

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El flujo del calor

• En la naturaleza el calor fluye espontáneamente en una direc-ción, del reservorio caliente alfrío.

• La segunda ley confirma que laacción opuesta del paso de laenergía del reservorio frío alcaliente no puede suceder espon-táneamente.

• La única manera que esto puedepasar es introduciendo al sistemaenergía desde el exterior, comosucede en una refrigeradora.

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119

Capítulo 5

Desde el punto de vista de la primera ley de laconservación de la energía, “no hay ninguna razón por lacual la energía en forma de calor que entra a la turbina devapor no pueda ser convertida en su totalidad en energía eléc-trica del generador, produciendo un cien por ciento de eficien-cia. Pero la segunda ley de la termodinámica indica que esto noes posible” ya que en el flujo de energía una buenaparte se disipa y se desperdicia y la cantidad de tra-bajo que se puede obtener siempre es menor que eltotal disponible. Otra forma de expresar este mismoconcepto es decir, que la energía siempre va de unaforma más útil a una forma menos útil, como sucedeen el motor de un auto-móvil.

En el motor de com-bustión interna ingresa una mezcla de combustible y aire que seenciende violentamente dentro del cilindro, expandiendo los gasesinmediatamente. Esta masa expandida de gases ejerce una tremen-da presión sobre los pistones y los empuja hacia abajo. El movi-miento de los pistones se convierte en una rotación en el cigüeñalmediante las bielas y de esta manera se mueve el diferencial quehace girar las ruedas pasando por la transmisión. La energía quellega a las ruedas es solamente una fracción de la energía potencialquímica del combustible, cerca del 3% aproximadamente, ya quegran parte de la energía se pierde en forma de calor y por causa dela fricción, “pero de acuerdo con la segunda ley aun sin fricción no puedeexistir un motor ciento por ciento eficiente.”

La termodinámica nos dice que la energía que causa la explo-sión en el cilindro del motor es el reservorio de alta temperaturay el ambiente a donde llegan los tubos de escape es el reservorio de baja temperatura (VerFig. 5 - 6). “La segunda ley especifica que cualquier máquina térmica que opera entre dos temperaturas de susreservorios, debe disipar una buena cantidad de energía en forma de calor hacia el reservorio frío.” (Trefil,Hazen. Pag. 87-89)

Sistemas cerrados“El tercer principio de la segunda ley establece que el orden que existe en el Universo camina inexorable-

mente hacia el desorden y en este proceso aumenta la entropía, que es la energía degenerada.” Para entendereste principio debemos comprender lo que se entiende en la ciencia por “orden y desorden”. Unsistema ordenado es aquel en que los objetos ocupan posiciones determinadas, por ejemplo losátomos de un cristal como la sal común, tienen un orden específico en el que se intercalan los áto-mos de cloro y sodio que forman las moléculas de sal. Un sistema desordenado contiene objetosque están distribuidos al azar y sin ningún patrón preestablecido y que están cambiando de posi-ción continuamente.

Un ejemplo de un sistema desordenado son las moléculas de los gases como el aire: estasmoléculas se mueven aleatoriamente, es decir en cualquier dirección. Este movimiento se puedeobservar aun a simple vista cuando un rayo de luz llega de una manera determinada, se lo llamamovimiento browniano en honor de su descubridor Robert Brown. El desorden de un sistema deeste tipo está directamente relacionado con los grados de libertad que tienen las moléculas paramoverse. En todos los sistemas la entropía es la medida del desorden y este principio de la segun-da ley establece que: “La entropía de un sistema cerrado permanece constante o aumenta.” (Trefil, Hazen,Pag. 89-91)

Figura No. 5 - 6 Máquina térmicaFuente: http://joule.qfa.uam.es/beta-2.0/temario/tema2/maquina.jpg

Eficiencia de las máquinas

Se usa el término eficiencia para cuantificar la perdida de energíaútil.

• Eficiencia = Trabajo mecánico desarrollado / Energía total ingre-sada

• Según la primera ley no hay nin-guna razón por la cual la energíaen forma de calor que entra a laturbina de vapor no pueda serconvertida en su totalidad en energía eléctrica.

• Pero la segunda ley de la termo-dinámica indica que esto no esposible.

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CONSECUENCIAS DE LA SEGUNDA LEY“La dirección natural de los cambios en el mundo son en el sentido del desorden, pero este desorden no

necesariamente se presenta dentro del sistema, sino en distintos lugares, como el entorno o los alrededores delsistema.” Se crea orden en un determinado lugar al construir ciudades, puentes, carreteras y demásobras de infraestructura, pero al mismo tiempo que se crea esta ordenación, en el entorno y enel aire que rodea a las ciudades y demás obras se produce un enorme desorden, con toda la basu-ra, escombros, polución y corrupción que se produce en la naturaleza y en las sociedades. “Demodo que en la contabilidad final de la energía siempre sale ganando la entropía, es decir, la energía degene-rada y el desorden. Esta degradación del universo es imparable,no hay cómo detenerla, sólo se pueden hacer intentos aisladospara crear orden en lugares en que se cuenta con enormes reser-vas de energías,” como ha sucedido en la época modernaen que se han explotado grandes cantidades de recursosnaturales y especialmente los energéticos como la made-ra, el carbón, el petróleo y en el futuro muy cercano elhidrógeno, como comentamos antes en el capítulo ante-rior. Esta abundancia de recursos energéticos y mate-riales de todo tipo ha permitido el desarrollo de lascivilizaciones modernas, pero no podemos olvidarnosque al mismo tiempo hemos causado cualquier canti-dad de extinciones, degradaciones ambientales ypolución, contaminación y basura en casi todos los

rincones de nuestro plane-ta.

Es decir, al mismo tiem-po que creamos orden, degra-damos el planeta con un desor-den que siempre es mayor al orden creado, la segunda ley siemprerige en nuestras vidas como en el universo. “Todos estos procesos decambio y desarrollo están íntimamente vinculados unos a otros, en redes deeventos interconectados,” como los llama Atkins, de modo que “si en unlugar se produce un aumento del orden, en otros se produce el desorden y éstees siempre mayor,” como lo probó Prigogine con sus estructuras disi-pativas.

La dirección del tiempoEl mundo tiene cuatro dimensiones visibles y medibles, tres del

espacio y la cuarta del tiempo. “El tiempo tiene una dirección que siempreapunta al futuro, pero a un futuro no determinista y por tanto no predecible.”Las leyes del movimiento de Newton funcionan tanto con un tiempopositivo como con un tiempo negativo, es negativo cuando ponemosun signo menos y nada cambia. Se aplican estas leyes sin ningunadificultad, es decir, son indiferentes a la flecha del tiempo. Las leyesde la física clásica como la primera de la termodinámica, nada dicen

acerca de la flecha del tiempo. “Pero la segunda ley de la termodinámica es diferente, ésta nos dice que los eventos importantes como la vida

no son reversibles, no hay como volver en el tiempo para rehacer los errores del pasado.” La ciencia no tieneuna explicación muy clara del por qué se percibe el paso del tiempo en una sola dirección haciael futuro, pero a través de la segunda ley si es posible describir los efectos de esta unidirecciona-lidad, tal como hemos visto con los ejemplos de no-reversibilidad que se han presentado en estecapítulo. (Trefil, Hazen, Pag. 92-94)

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CONSECUENCIAS DE LA SEGUNDA LEY

• La dirección natural de los cam-bios es en sentido del desorden.

• Esta degradación del universo es imparable.

• No hay cómo detenerla, sólo sepueden hacer intentos aisladospara crear orden en lugares enque se cuenta con enormes reser-vas de energías.

Las limitaciones del desorden• Al mismo tiempo que creamos orden, degradamos el planeta con un desorden mayor.

• La Segunda Ley siempre rige ennuestra vidas como en el univer-so.

• Todos los procesos de cambio y desarrollo están íntimamente vin-culados unos a otros, en redes deeventos interconectados.

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Figura No. 5 - 7 Refrigerador imposibleleFuente: http://html.rincondelvago.com/files/3/8/6/000153860.png

El tiempo y la termodinámica A principios del siglo XX Einstein dijo que “el tiempo irreversible

es una ilusión”. Los intentos de probar la irreversibilidad con la diná-mica clásica fracasaron, pues los procesos irreversibles no son fenó-menos universales. Sabemos que existen muchas clases de sistemasdinámicos y algunos de estos, como los del movimiento, que se tra-tan en la mecánica son reversibles. La pregunta clave es entonces¿cuál es la complejidad necesaria para que se produzca la irre-versibilidad? Sin duda la vida es uno de esos sistemas cuya com-

plejidad es sufi-ciente para produ-cir la irreversibili-dad, pero hay otros en química, en las cienciasde la Tierra, como los movimientos sísmicos yen otras disciplinas que también son irreversi-bles.

“Al final del siglo XX se han desarrollado métodosy procedimientos numéricos que permiten calcular y des-cribir fenómenos que se denominan no-lineales, inesta-bles, caóticos, complejos e irreversibles. A estos fenóme-nos les llama Prigogineestructuras disipati-vas”, como veremosen el capítulo once.En todos los casos,estos procesos disi-pan energía enforma de calor que

no puede ser aprovechado y que se pierde. La materia en situacionesde equilibrio se manifiesta de una manera repetitiva, como en las molé-culas de los sólidos. En cambio, en situaciones alejadas del equilibrioaparecen una gran variedad de mecanismos de cambio en las estructu-ras disipativas.

“Especialmente en los llamados relojes químicos, las moléculas de ciertoscompuestos se auto-organizan, de tal manera que forman diseños y formas queaparecen como si éstas estuvieran en movimiento y actúan de una manera cohe-rente y rítmica, como si cambiaran su identidad simultáneamente, como si tuvie-ran una manera de comunicarse, pero esta comunicación sólo aparece en lassituaciones alejadas del equilibrio.” En el campo de la biología molecularestos fenómenos son parte de la vida y parecen ser la norma.

Cuando el famoso astrofísico inglés Arthur Stanley Eddington,explicaba que el hidrógeno se fusionaba para formar helio y en esteproceso se generaba la energía de las estrellas, decía que: “Desde elpunto de vista de la filosofía de la ciencia, la concepción asociada con la entro-pía (yo pienso), debe estar en un rango especial como la mayor contribución delsiglo XIX al pensamiento científico. Marca la reacción a la idea de que todo loque la ciencia debe prestar atención es descubierto por medio de la disecciónmicroscópica de los objetos” Eddington estaba a la caza de la flecha deltiempo y se preguntaba ¿cuál es el significado de la flecha del tiem-po? Podríamos afirmar que la flecha del tiempo es una manifestacióndel hecho de que el futuro no está dado, pero que el presente apuntahacia el futuro como decía el poeta francés Paul Valery, “el tiempo es

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Capítulo 5

La dirección del tiempo

• Las leyes del movimiento fun-cionan tanto con un tiempo posi-tivo como con un tiempo negativo

• La segunda ley nos dice que loseventos importantes como la vidano son reversibles

• La ciencia no tiene una explica-ción muy clara del porqué se per-cibe el paso del tiempo en unasola dirección hacia el futuro.

RREESSUUMMEENN

El tiempo y la termodinámica

• ¿Cuál es la complejidad necesa-ria para que se produzca la irre-versibilidad?

• Sin duda la vida es uno de esossistemas cuya complejidad es sufi-ciente para producir la irreversibi-lidad.

• Pero hay otros en química, enlas ciencias sociales y en otras dis-ciplinas que también son irrever-sibles.

Arthur Stanley Eddington diceque: • “Desde el punto de vista de lafilosofía de la ciencia, la concep-ción asociada con la entropía debe,yo pienso, estar en un rango espe-cial como la mayor contribución delsiglo XIX al pensamiento científi-co”.

• Marca la reacción a la vista deque todo lo que la ciencia debeprestar atención es descubiertopor medio de la disección micros-cópica de los objetos”

Prigogine afirma que:• “El progreso estructural másimportante .... es que ahora pode-mos ver el problema de la estruc-tura, del orden, desde una pers-pectiva diferente...talvez podamoseventualmente combinar las tra-diciones occidentales, con su énfa-sis en experimentación y formula-ciones cuantificadas, con tradicio-nes como la china, con su visióndel mundo espontáneo y auto-organizado”.

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Figura No. 5 - 8 El tiempo de Dalíí.Fuente: http://www.geocities.com/neferett/1.jpg

una construcción, es decir, algo que se va formando, que va cambiando parale-lamente al devenir.”

Prigogine afirma que “El progreso estructural más importante (en laconcepción del tiempo) es que ahora podemos ver el problema de la estructura,del orden, desde una perspectiva diferente...talvez podamos eventualmente com-binar las tradiciones occidentales, con su énfasis en experimentación y formu-laciones cuantificadas, con tradiciones como la china, con su visión del mundoespontáneo y auto-organizado”.

LA TERMODINÁMICA DE LA ECONOMÍADice Jeremy Rifkin en su libro La economía del hidrógeno que :

“A medida que nos acercamos a los estadios finales de la era del petróleo, EstadosUnidos se encuentra en una posición cada vez más vulnerable ante las crecientesamenazas e interferencias de origen externo e interno, al igual que todos los demáspaíses del mundo.” La época de la energía por medio de la madera terminó,no porque se acabó la madera, sino porque apareció otro combustible másadecuado, el carbón. Lo mismo pasó con el carbón, apareció el petróleoy se cambió a una economía petrolera y lo mismo va a pasar con el petró-

leo, no porque se acaba el petróleo, ya que no va a suceder, sino porque viene la economía del hidró-geno.

La época de los combustibles fósilesse caracteriza por la explotación del car-bón, petróleo y gas natural que seencuentran en minas y pozos muy pro-fundos y muy difíciles de localizar yextraer. “Los costos de perforación, extrac-ción, transporte y refinación requieren de enor-mes capitales que la mayor parte de gobiernosno tienen y por tanto, han llevado a la forma-ción de empresas transnacionales gigantescas,que de una manera centralizada manejan susnegocios mundiales.”

La energía del hidrógenoComo vimos en el capítulo anterior, el hidrógeno es el elemento más abundante de todo

el universo y cuando lo usemos como la nueva forma de energía, será el combustible eterno quenunca se termina, ya que como vimos antes, al extraer energía eléctrica del hidrógeno por mediode las pilas de combustible, el residuo que sale después del proceso es agua destilada. Como elhidrógeno no es carbono, no puede emitir dióxido de carbono, de modo que el problema del efec-to invernadero disminuye radicalmente el momento que entremos de lleno en una economíadel hidrógeno.

El hidrógeno existe en todo el planeta, en el agua de los ríos, mares y océanos, en los com-bustibles fósiles y en los seres vivos, pero es muy raro encontrarlo en el estado libre en la natura-leza: siempre aparece combinado con oxígeno formando agua y con el carbono y otros átomos enlos hidrocarburos. De modo que es necesario separarlo de los otros átomos para obtener el hidró-geno necesario. “El hidrógeno se puede extraer en muchas unidades de vivienda y producción del planeta, siem-pre que se tengan los equipos necesarios. Esto abre la posibilidad de que por primera vez en la historia de la huma-nidad la fuente de energía más importante esté al alcance de todos, lo que convertiría a la energía del hidrógenoen el primer régimen energético verdaderamente democrático de la historia.” La centralización del poder y laacumulación de capitales en unas pocas empresas del mundo que caracteriza la época de los com-

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LA TERMODINÁMICA DE LA ECONOMÍA

• Dice Jeremy Rifkin en La econo-mía del hidrógeno que : “A medida que nos acercamos a los estadios finales de la era del petró-leo, Estados Unidos se encuentra enuna posición cada vez más vulnera-ble ante las crecientes amenazas einterferencias de origen externo einterno, al igual de todos los demáspaíses del mundo”.

La energía del hidrógeno• El hidrógeno es el elemento más abundante del universo.

• Será el combustible eterno yaque nunca se termina.

• El residuo que sale después delproceso es agua destilada quepuede ser reciclada inmediata-mente para producir más hidró-geno y oxígeno.

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Figura No. 5 - 9 El destino finalFuente: http://www.ecologiasociale.org/img/entropia.jpg

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Capítulo 5

bustibles fósiles produjo el desarrollo de las megalópolis, que consu-men enormes cantidades de recursos naturales, pero especialmente deenergía y que resultan insostenibles en las condiciones actuales.

Cuanto más complejos y evolucionados son los organismos delas civilizaciones humanas, mayor es la cantidad de energía que serequiere para su mantenimiento y mayor es la entropía y el desordenque emerge en el proceso. Dice Rifkin que: “esta realidad es desconoci-da por la teoría económica clásica que ignora las leyes de la termodinámica yque no toma en cuenta las restricciones que se imponen a la sociedad y al medioambiente.” Estos son una serie de condicionamientos que nadie puedeevitar, pero que son desconocidos por la mayor parte de los líderes ypolíticos mundiales y locales.

Contabilidad y termodinámicaLas leyes de la termodinámica nos dicen cómo funciona el

Universo y la naturaleza, al describir los procesos que incrementanla entropía y el desorden. En cambio “la actividad económica se limita atomar del entorno recursos energéticos de baja entropía para transformarlostemporalmente en productos y servicios de alta entropía, sin llevar la contabilidad adecuada de todo lo que se des-perdicia, de la enorme ineficiencia que denotan los procesos económicos” y de la flecha del tiempo quenecesariamente apunta hacia la degradación, la corrupción, las rebeliones, las guerras, los ladro-nes, los gobiernos y demás participantes en este “festín de la energía degradada.” En este proceso detransformación “las cantidades de energía que se consumen y que luego se transforman y se pierden comoentropía es muy superior a la cantidad de energía contenida en los productos y servicios que se han produ-cido, pero mientras esto sucede los economistas andan preocupados de entender a los sistemas en equilibrio,a los consumidores que desean siempre comprar más y más, a los productores que desperdician enormes can-tidades de recursos y que no se les ocurre, en la mayor parte de los casos, reciclar y aprender las formas enque funciona la naturaleza.”

Las principales teorías económicas modernas siguen ancladas al paradigma del equilibrio,que dice que “sólo en sistemas que están en equilibrio se puede producir el crecimiento económico.” Nadamás alejado de la verdad como veremos en el capítulo once de las Nuevas Ciencias. Estasteorías asumen que existen mercados perfectos, que todos los agentes tienen una racionalidad per-fecta y que todos estos ingredientes hacen que las fluctuaciones que se producen en la economíaacaben estabilizándose al llegar al ansiado equilibrio. Lo que sí es verdad es que “estas teorías delequilibrio no pueden explicar las fluctuaciones de las bolsas de valores del mundo, las variaciones violentas y endeterminadas ocasiones catastróficas de los valores de las acciones de ciertas empresas.” Tampoco se puedeexplicar por qué la mayor parte de las empresas que siguen todos los preceptos de estas teorías enla mayor parte de los casos acaban mal, en la quiebra o son absorbidas por otras. “Es muy probableque esta obsesión con el equilibrio tenga que ver con la fijación que tienen los economistas de convertir a la eco-nomía en una ciencia matemática y precisa como la física clásica,” pero como vimos en el primer capítu-lo, la economía no deja de ser una pseudociencia.

LAS LIMITACIONES DEL UNIVERSOLa Segunda Ley de la termodinámica nos indica que existen serias limitaciones prácticas y

filosóficas en la forma y funcionamiento del mundo, de la vida y de todos los procesos termodi-námicos. “Esta ley nos impone límites en la forma en que los seres humanos podemos interactuar con la natu-raleza y en la forma en la cual ésta reacciona a nuestros avances y acciones.” En otras palabras, nos indicaqué cosas suceden y cómo suceden y qué cosas no pueden suceder en el mundo. El desperdiciode energía en entropía no es el resultado de fallas en los diseños y en la ingeniería en la mayorparte de los casos, es una limitación que forma parte de las leyes de la naturaleza. Si se pudiese

Contabilidad y termodinámica

• La actividad económica se limita a tomar del entorno recursosenergéticos de baja entropía paratransformarlos temporalmente enproductos y servicios de altaentropía

• Sin llevar la contabilidad ade-cuada de todo lo que se desperdi-cia, de la enorme ineficiencia quedenotan los procesos económicosy de la flecha del tiempo quenecesariamente apunta hacia ladegradación

• La corrupción, las rebeliones, lasguerras, los ladrones, los gobier-nos y demás participantes en estefestín de la energía degradada, sonla marca de la decadencia acelera-da de nuestras sociedades.

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diseñar una máquina que extraiga más energía que lo permitido por la segunda ley, entonces tam-bién se podría diseñar un refrigerador que enfríe aun cuando no esté encendido. Desde el puntode vista filosófico la Segunda Ley nos indica que la naturaleza tiene ciertos tipos o niveles deenergía más útiles y otros menos útiles. El estado de energía menos útil es el reservorio frío querecibe toda la energía disipada, una vez que la energía se encuentra en este reservorio no puedeser reutilizada para hacer trabajo útil.

La muerteEl envejecimiento y la muerte son buenos ejemplos de la direccionalidad de la naturaleza y

manifiestan la importancia de la segunda ley de la termodinámica en nuestras vidas. “Los biólogosdicen que el envejecimiento es un proceso evolutivo que sirve para preservar las propiedades, que permiten lasobrevivencia de las especies.” Dos teorías tratan de explicar por qué ocurre el envejecimiento y lamuerte: la una se llama obsolescencia planificada y sugiere que el cuerpo humano está diseñado paradestruirse a sí mismo des-pués de cierto tiempo, paraasegurar que hayan suficien-tes alimentos y otros recursospara los que vienen después.La segunda teoría se llama delos accidentes acumulados ymantiene que el desgastecontinuo sobrepasa la habili-dad del organismo para hacerreparaciones y el sistemadeja de funcionar cuando losaccidentes se acumulan,como también daños en losórganos principales como elcorazón y errores en los códi-gos genéticos de las células;existen más evidencias queapoyan la segunda teoría.

La muerte térmicaLa entropía nos lleva a

considerar la muerte del universo, ya que éste es el único sistema verdaderamente aislado y cerra-do que conocemos. Llegará una época en que todas las estrellas se hayan enfriado y la temperatura en todoel Universo sea uniforme; en este momento la entropía será máxima ya que el reservorio de alta temperatura esta-rá vacío y el de baja temperatura estará totalmente lleno, entonces se produce la muerte térmica del universo y éstemuere para siempre. Con la polución de la atmósfera y las luces de las ciudades en las noches des-pejadas, apenas podemos distinguir unas pocas estrellas y planetas. Pero nosotros formamos partede una galaxia llamada Vía Láctea, que es una enorme espiral con más de cien billones de estre-llas. Y más allá se hallan en la profundidad del espacio probablemente, miles de billones de gala-xias similares o parecidas a la nuestra; parece ser que por cada grano de arena que existe en laTierra, hay por lo menos diez estrellas en el universo. Lo curioso es que casi todas estas estrellasen las galaxias parecen alejarse de nosotros a grandes velocidades en una especie de carrera inter-minable hacia el fin del universo.

Sabemos desde los años sesenta que la razón para esta carrera desenfrenada hacia los límitesdel espacio-tiempo se inicia con el Big-Bang, mal llamado gran explosión, pero de lo que no está-bamos muy seguros era la forma en que terminará todo. Originalmente había “tres escenarios posi-bles según la teoría de la relatividad: el primero era que la expansión continuará eternamente. El segundo afir-maba que debido a la gravedad de la materia oscura, llegará un momento en que se desacelera la expansión y se

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Figura No. 5 - 10 La muerte del universoFuente:: http://www.dgdc.unam.mx/Assets/Fotos/ft_conf_astro01.jpg

detendrá en un tamaño determinado. La tercera posibilidad, llamada del Big-Crunch, era que después deparar, comienza a contraerse y se colapsa el Universo, volviendo a su origen inicial del Big Bang y todo se ini-cia de nuevo.”

Las mejores mentes de la ciencia fueron hasta hace poco incapaces de dilucidar lo quepasará al fin del tiempo, pero ahora parece que nos acercamos a una explicación muy plau-sible. Pero nadie sabía cómo medir toda la materia del universo ya que contar las estrellas yposibles planetas es fácil, pero existe en el vacío la materia oscura que no podemos ver.Desde los años treinta se sabía que el espacio debía contener más materia, ya que de otramanera no se podía explicar ¿cómo se mantenían las galaxias y los grupos de galaxiasjuntos? La única posibilidad es que había algún tipo de materia invisible que estaba pre-sente entre los espacios intergalácticos.

Por medio de las estrellas denominadas supernovas se pudo medir la velocidad de expan-sión del universo en sus comienzos y se comparó con la velocidad actual: se descubrió que lavelocidad actual es muy superior a las del pasado, de modo que el universo está siendo acele-rado por alguna fuerza misteriosa que le llamamos energía oscura. Por tanto, esto sugiere queexiste en el Universo algún tipo de fuerza anti-gravedad que permite esta aceleración; ahorasabemos que un 60% del universo está hecho de esta energía como veremos en los capítulosdiez y doce.

En el siguiente capítulo vamos a ver que la materia está formada de átomos, y cómo sedescubrieron estos átomos; esta es una de la ideas más inteligentes e importantes de la cien-cia.

125

Capítulo 5

Figura No. 5 - 11 Sistemas muy complejossFuente: http://www.bonk.com.ar/tp/images/232.jpg

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Introducción1. ¿En que consisten la Primera y Segunda Ley de la termodinámica?Historia2. ¿Cómo se define la termodinámica?3. En qué consistió la importancia de la invención de la máquina de vapor?4. ¿En qué consiste el Principio de Carnot?5. Según Carnot, ¿de qué depende esencialmente la eficiencia de una máquina

de vapor?6. ¿Según Thomson cuál es la condición esencial de una máquina térmica?7. ¿En qué consiste el principio de la termodinámica establecido por Clausius?8. ¿Cómo relacionó Clausius la entropía y la energía?9. ¿Cómo se entiende el concepto de entropía en relación con el funcionamiento

del ser humano?10. ¿Cómo se entienden los niveles de entropía en los diferentes estados del agua?11. ¿Cuál es el significado de la segunda ley de la termodinámica?Entropía y termodinámica.12. ¿En qué casos el orden podría aumentar (disminuyendo la entropía)?13. ¿Cómo se presenta la entropía en los procesos irreversibles? Completa

tu explicación con un ejemplo diferente al presentado en el texto.14. ¿Cuál es la consecuencia de que la entropía en el universo esté aumentando?14. ¿En qué consiste la homeostasis?16. ¿Qué se entiende por estructuras disipativas?17. ¿Cómo se entiende el concepto de caos?18. ¿En qué consistiría el concepto de evolución de los sistemas complejos,

según Kaufmann?19. Explica las propiedades correspondientes a la segunda ley de la termodinámica.20. Desde el punto de vista de la energía, ¿qué sucede con dos vehículos que chocanentre sí, si se desplazaban a velocidades muy diferentes? ¿Cómo se aplicaría esta con-clusión a la transmisión del calor a nivel molecular en una barra metálica?

21. ¿Qué es la energía disipada?22. ¿Cómo se mide la eficiencia de una máquina?23. Desde el punto de vista energético, ¿cómo funciona un motor de combustión interna?24. En el caso de una máquina térmica ¿dónde se ubican los reservorios térmicos?25. ¿Qué se entiende por sistema ordenado y sistema desordenado?-25.¿Qué es el movimiento browniano?Consecuencias de la segunda ley26. ¿Cuál ha sido la consecuencia principal de la explotación de recursos energéticos?27. ¿Qué se entiende por “redes de eventos”, según Peter Atkins?28. ¿Qué podrías decir respecto a la dirección del tiempo?29. ¿Qué son las estructuras disipativas?30. ¿Qué significado tiene el planteamiento:“el futuro no está dado, pero el presenteapunta hacia el futuro”?La termodinámica de la economía31. ¿Crees que la economía petrolera se terminará pronto, no por el agotamiento de las reservas, sino porque viene la economía del hidrógeno?32. ¿Cuáles serían las principales ventajas de utilizar el hidrógeno para la generación de energía?33. ¿Por qué podría decirse que la actividad económica, en general, es ineficiente y causa degradación del entorno?Las limitaciones del universo34. ¿En qué consiste la “obsolescencia planificada”, respecto al envejecimiento y muer-te de los seres humanos?35. ¿En qué consisten “los accidentes acumulados”, respecto al envejecimiento ymuerte de los seres humanos?36. ¿Cómo explicarías la idea de muerte térmica del universo?37. ¿Cuáles son los escenarios que se han planteado respecto al destino del universo,basados en la relatividad?

Bibliografía

PREGUNTAS DE REPASO

ATKINS PETER. Galileo’s Finger. The Ten Great Ideas of Science. Oxford University Press. New York, 2003GRIBBIN JOHN. Introducción a las Ciencias. Drakopntos, Crítica. Barcelona, 2000PRIGOGINE ILYA, STENGERS ISABELLE, Order out of Chaos, Man’s new Dialogue with Nature. New York,

Bantam Books, 1984.TREFIL JAMES, HAZEN ROBERT M. The Sciences. An Integrated Approach. Third edition. John Wiley & Sons,

New York. 2001.

PREGUNTAS DE REFLEXION1. El estudio de la termodinámica incluye la transfor-

mación de energía en distintas formas de trabajo,pero se dice que al transformase, esta energía dege-nera en formas cada vez más inútiles y menos sofis-ticadas de energía. Explica este hecho con ejemplosde tu vida diaria.

2. Sabemos que en el universo la cantidad total demateria y energía se mantienen constantes, pero queel desorden, o la entropía, está siempre en aumento.¿Qué consecuencias tiene esto en el futuro del uni-verso?

3. ¿Qué dilema existe entre la entropía y la autoorgani-zación en los seres vivos, y cómo se explica estaúltima en concordancia con la segunda ley de la ter-modinámica?

4. Explica por qué se dice que la energía térmica sólose transfiere de un reservorio caliente a uno frío, yno viceversa.

5. Explica qué importancia tienen los reservorioscalientes y fríos en la eficiencia de una máquina tér-mica.

6. Da un ejemplo de tus actividades diarias de ¿cómola entropía en un sistema siempre aumenta?

7. Argumenta algunas (al menos 3) de las ventajas quepuede tener la utilización del hidrógeno como com-bustible en lugar del petróleo.

8. Explica cada una y argumenta cuál de las dos teorí-as acerca del envejecimiento y la muerte es másplausible.

9. ¿Por qué sabemos con certeza que el universo debeeventualmente alcanzar su muerte térmica?

10. La segunda ley de la termodinámica se resume en 3enunciados que hemos visto en el texto. Da un ejem-plo de qué tipo de consecuencias tiene en nuestravida cada uno de ellos.

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Capítulo 6

INTRODUCCIÓN

En 1962, en una serie de conferencias para estudiantes universitarios impartidas en Caltech,el famoso físico y premio Nóbel, Richard Feynman advirtió que el modelo del átomo esla idea más importante para la explicación científica del mundo. Dijo lo siguiente: “Si por

un cataclismo resultaran destruidos todos los conocimientos científicos y sólo una frase pudiera pasar a las gene-raciones siguientes ¿qué sentencia contendría el máximo de información en el mínimo de palabras? Yo creo quees la hipótesis atómica, según la cual todas las cosas están hechas de átomos, pequeñas partículas que se encuen-tran en perpetuo movimiento y se atraen entre sí cuando se sitúan a una corta distancia, pero que se repelen si seintenta introducir la una a la otra. Sólo con que utilice un poco de imaginación y de reflexión, en esta única frase,como verán, está contenida una enorme cantidad de información sobre el mundo.”

Como vimos antes, la idea de que los átomos son partes indivisibles de la materia se remon-ta a los tiempos de los antiguos griegos; ya en el siglo V a.C., Leucipo de Mileto y su alumnoDemócrito de Abdera, hablaban de estos entes fundamentales, inmutables, inmóviles e indes-tructibles. El concepto de elementos, sustancias fundamentales de las que está hecha toda lacomplejidad del mundo cotidiano, se remonta también a los primeros filósofos griegos, a los quese les ocurrió la idea de que todo está hecho de distintas mezclas de cuatro elementos: aire, tie-rra, fuego y agua.

Robert Boyle, a mediados del siglo XVII, fue la primera persona que “distinguió entre mezcla ycombinación y definió el concepto de elemento como una sustancia, que no se podía descomponer en ninguna otramás simple.” (Diccionario Ciencias, 2001) El progreso definitivo en la comprensión del modo en quelos elementos se combinan para dar compuestos llegó cuando John Dalton retomó el concepto deátomo, a principios del siglo XIX. Dalton argumenta que “la materia está conformada por átomos y expli-ca su descubrimiento indicando que dado un compuesto concreto, independientemente de cómo haya sido prepa-rado, la proporción entre los pesos de los diferentes elementos presentes en él es siempre la misma.”

Dalton sugirió que “cada clase de elemento está formado por una clase de átomo idéntico y que es lanaturaleza de estos átomos la que determina las propiedades del elemento.” (Trefil, 2001 - Pág. 173) Almismo tiempo, otros científicos fueron encontrando pruebas cada vez más concluyentes de que losátomos se podían considerar como entidades reales, consideradas pequeñas bolas duras que seatraían las unas a las otras cuando estaban separadas por una distancia, pero se repelíanmutuamente al intentar juntarlas.

El átomo de los griegosComo vimos antes, en la Grecia antigua la palabra “átomo se empleaba para referirse a las partes más

pequeñas de materia que eran consideradas indestructibles e indivisibles.” El conocimiento de la naturalezadel átomo avanzó muy lentamente a lo largo de los siglos, ya que en un principio sólo era posibleespecular sobre lo que podría ser la materia de nuestro Cosmos. No se sabe con seguridad cómoLeucipo y Demócrito llegaron a la idea de los átomos, hay una leyenda que dice que “Demócrito,pasaba frente a una panadería y olió el delicioso aroma del pan que salía ese momento del horno,” entonces hizo

6ÁTOMOS

To see a world in a grain of sandAnd a heaven in a wild flower,

Hold infinity in the palm of your hand,And eternity in an hour

WILLIAM BLAKE

La miniaturización de la materia

128


una conexión magistral, ya que se imaginó que “los olores que venían desde el horno a su nariz eran trans-portados por partículas de materia que eran muy pequeñas e invisibles,como los átomos que su maestro Leucipo había sugerido.”

Demócrito de Abdera continuó las enseñanzas de sumaestro Leucipo y en el siglo V a.C estableció la primerateoría atómica, al considerar que toda la materia estabaformada por átomos, invisibles e indivisibles y además,eternos e inmodificables, de modo que en la naturalezasólo existían átomos y vacío. De este modo, la hoja delcuchillo más afilado no podría penetrar en un pedazo demadera si no hubiera intersticios, ya que la resistencia seríainfinita, pero al dividir la materia en pedazos cada vez máspequeños se llegaría a un momento en que ya no sería posi-ble dividir más los pedazos y su rigidez sería absoluta; aestos pedazos indivisibles les llamaron átomos. (Papp,1996. Pág. 40 y 261) Los filósofos griegos no disponían deun método científico para explorar la materia, sus razona-mientos no disponían de la capacidad necesaria para reali-zar observaciones y experimentos que permitan verificar las hipótesis, que es lo que caracterizaal método científico moderno, por esto no fue posible que antes del inicio del siglo XIX nacierala teoría atómica moderna.

Con el comienzo de la ciencia experimental en los siglos XVI y XVII se iniciaron los des-cubrimientos de los atomistas, que adaptaron las ideas de Demócrito a la ciencia de esta época.

Los químicos se dieron cuenta muy pronto de que los líquidos, gasesy sólidos se podían descomponer en sus elementos originales. Elgran investigador y químico inglés Boyle afirmaba que: “los átomoseran corpúsculos que poseían una inmensa variedad de formas como puntas yramificaciones, de tal manera que sólo ciertos átomos encajaban bien con otroscuando coincidían estas formas extrañas.” Por ejemplo, descubrieron queel mercurio y el azufre se combinan para formar cinabrio y que la salse componía de dos elementos, un átomo de sodio y otro de cloro.(Papp, Pág. 263)

Newton propuso la idea, ya que no le gustaba proponer hipóte-sis, de que “eran las fuerzas intermoleculares las que permiten que ciertas par-tículas se unan formando uniones químicas,” pero así como había fuerzasatractivas, también existían fuerzas repulsivas, que eran las respon-sables de la capacidad de expansión de los gases. La imagen delmundo que propone Newton rechaza la variedad de formas propues-ta por Boyle y tiene dos polos: los movimientos de los grandes cuer-pos que están regidos por la gravedad y los de las partículas peque-ñas por las fuerzas intermoleculares. Estas fueron las ideas funda-mentales que dieron soporte a los conceptos desarrollados posterior-mente a principios del siglo XIX y que veremos en este capítulo tanimportante. (Papp, Pág. 264)

LA TEORÍA ATÓMICA MODERNALa teoría atómica moderna se inicia con el meteorólogo

inglés, John Dalton (1766-1844). En 1808 Dalton publicó un librollamado New System of Chemichal Phylosophy, en el cual trataba decontestar a la pregunta: ¿Cuál es la condición que deben tener los átomospara poder explicar la gran variedad de elementos químicos existentes? Dalton

ATOMOSLa miniaturización de la materia• Feynman advirtió que el modelodel átomo es la idea más impor-tante para la explicación científicadel mundo

• El átomo es la unidad más pequeña que tiene las caracterís-ticas de un elemento químicodeterminado

• En Grecia, “átomo” se empleaba para referirse a las partes máspequeñas de materia indestructi-bles. A-tomo significa en griego“no-divisible”

• El conocimiento del átomoavanzó lentamente ya que en unprincipio sólo era posible especu-lar sobre lo que podría ser lamateria de nuestro cosmos.

El átomo de los griegos• Demócrito decía que el cosmos está hecho de átomos y vacío, yque toda la materia está formadapor átomos eternos e inmodifica-bles

• Los filósofos griegos no disponí-an de un método científico paraexplorar la materia

• Por esto solamente en el siglodiecinueve nace la moderna teoríaatómica.

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Figura No. 6 - 1 Modelo atómicoFuente:http://www.mundodoquimico.hpg.ig.com.br/os%20mod1.gif

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Capítulo 6

llevó el concepto del átomo del terreno cualitativo de la filosofía alcampo cuantitativo de la ciencia como dice Papp.

Dalton argumentaba que “los nuevos conocimientos químicos indi-caban que la materia estaba compuesta de átomos, que cada sustancia químicaestaba formada de átomos y que cada átomo diferente tenía un peso caracterís-tico, propio de cada elemento. Este peso no variaba con las reacciones quími-cas de modo que cuando los elementos se combinan, lo hacen en proporcionesdefinidas por sus pesos.” Por ejemplo, el monóxido de carbono y eldióxido de carbono tienen una relación de uno y dos oxígenos res-pectivamente, con un átomo de carbono. (Papp, Pág. 263-264)

Luego, Gay-Lussac descubrió “que los gases se mezclan en propor-ciones volumétricas bien definidas, como por ejemplo en el caso del aire hay un21% de oxígeno, un 78% de nitrógeno y el resto son gases como el dióxido decarbono y otros más.” En 1811 la teoría atómica recibió un impulsomuy grande cuando el físico italiano Amadeo Avogadro descubrióque “existen relaciones sencillas entre los volúmenes de los gases y que tam-bién debe haber una relación entre los números de las moléculas que confor-man estos gases, de modo que si la temperatura y la presión son las mismas, dosgases diferentes que ocupan el mismo volumen tendrían necesariamente elmismo número de moléculas.” Esto se debe a que las distancias entre losdistintos átomos y moléculas en los gases son enormes a estas esca-las atómicas . Avogadro fue el primero en distinguir entre átomos ymoléculas; los átomos son los que participan en las reacciones quí-micas y se unen para formar moléculas. (Papp, Pág. 266-267)

La complejidad de los átomosDice Papp que: “la idea filosófica de Demócrito se convirtió en la hipó-

tesis química de Dalton y en el siglo XX en una realidad física que ha podido serfotografiada, de modo que tenemos una gran cantidad de pruebas irrefutablesde la existencia de los átomos.” Lo que la imaginación nunca pudo vis-lumbrar, los experimentos nos han demostrado que existe una reali-dad atómica y subatómica maravillosa, hemos penetrado en elmundo de las sub-subpartículas atómicas y aun más allá, hemosllegado a los quarks, leptones y probablemente a las unidades deenergía más infinitesimales llamadas supercuerdas, en donde los conceptos del espacio y tiem-po y las dimensiones que conocemos se multiplican hasta llegar al hiperespacio de diezdimensiones.

En la última década del siglo XIX se estableció a través de una serie de experimentos y medi-ciones que debía existir una partícula atómica con carga negativa y que esta partícula debía estarde alguna manera vinculada a los átomos de las sustancias analizadas en experimentos como laelectrólisis, que consiste en usar una corriente continua de una batería para analizar una sustan-cia y descomponerla en sus elementos. Pero para poder descubrir esta partícula negativa habíaque ubicarla separada de los átomos y pronto la oportunidad se presentó.

En 1895 el físico francés Jean Baptiste Perrin, pudo determinar que: “En los Rayos Catódicosque se producían al aplicar un campo eléctrico dentro de un tubo al vacío, existían cargas de potencial negativo”.Por lo que el genial investigador inglés Joseph John Thomson (1856-1940) realizó una serie deexperimentos con estos rayos catódicos, a los cuales les hizo pasar por campos magnéticos yeléctricos y pudo establecer que estas partículas negativas eran desviadas por los dos cam-pos, con lo que “determinó la carga y la masa de estas partículas negativas.” Thomson supuso que lacarga de esta partícula debía ser la unidad elemental de carga y que la masa debía ser muy infe-rior a la masa del más liviano de los átomos, el hidrógeno. Mediciones posteriores determinaronque estas partículas a las cuales se les llamó electrones, tenían una masa que era mil ochocientas

LA TEORÍA ATÓMICA MODERNA

• En 1808 Dalton decía que lamateria estaba compuesta de áto-mos

• Los alquimistas podían dividir aciertas substancias simples

• Si se quema madera, se produceCO2 , H2O y otros residuos comola ceniza

• Dalton creía que la materiaestaba compuesta de átomos yque cada átomo diferente teníaun peso característico, propio decada elemento

• Luego Gay-Lussac descubrió que los gases se mezclan, el aire tiene21% de oxígeno, 78% de nitrógenoy el resto otros gases

• Amadeo Avogadro descubrióque debe haber una relación entrelos números de las moléculas queconforman los gases

• Dos gases diferentes que ocupanel mismo volumen tendrían nece-sariamente el mismo número demoléculas

• Baptiste Perrin, determinó que los rayos catódicos eran cargas de potencial negativo

• Joseph John Thomson les hizopasar a estos rayos por camposmagnéticos y eléctricos

• Las medidas demostraron que los electrones, tenían una masa1840 menor que la del átomo dehidrógeno.

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cuarenta veces menor que la del átomo de hidrógeno, de modo que se supuso que el átomo debíade estar formado con otros componentes y partículas y que por tanto era muy complejo. (Papp,Pág. 271-273)

La radiactividadEn 1896, Antoine Henry Becquerel descubrió las primeras pruebas de la radioactividad

al experimentar con sales de uranio; luego los esposos Curie y otros científicos lograron reco-nocer una serie de nuevos elementos radioactivos que eran en todos los casos átomos muy pesa-dos, que emitían radiaciones que podían pasar a través de hojas metálicas y otras sustancias opa-cas a la luz. Todos se hacían la pregunta: ¿De dónde proviene la energía de estas sustanciasque producen radiaciones radioactivas?

Ernest Rutherford y Frederick Soddy en 1902 formularon una hipótesis que decía que “losátomos activos (radioactivos) son sistemas inherentemente inestables; se desintegran espontánea y explosivamente, pro-yectando con elevada energía cinética sus fragmentos en el espacio,” como lo formula Papp. Al expulsar frag-mentos de su masa, el átomo se desintegra y se convierte en otro elemento químico, ya que varía sunúmero de protones. El nuevo átomo continúa también desintegrándose y emitiendo radiaciones hastaque al fin de la cadena radioactiva se llegaa un elemento estable y se acaban lasradiaciones. El uranio por ejemplo sufrecatorce transformaciones hasta llegar asu elemento estable que es el plomo y laenergía liberada en este proceso de desin-tegración es miles de veces mayor queaquellas que se obtiene en las reaccionesquímicas normales.

Rutherford y Marie Curie experi-mentaron extensamente con estas radia-ciones y “encontraron que había tres tipos deradiaciones y para identificarlas usaron lastres primeras letras del alfabeto griego: rayosalfa, beta y gamma, de acuerdo a sus poderesde penetración siendo los más fuertes losgamma.”

“Los rayos gamma resultaron ser muyparecidos a los rayos X, pero más fuertes aún,los rayos beta eran electrones. Sin embargo, lomás difícil fue determinar la naturaleza de losrayos alfa, que eran los de menor poder depenetración, pero que tenían miles de veces la masa del electrón y además, dos cargas eléctricas pero positivas.Después de hacer una serie de pruebas descubrieron que los rayos alfa estaban formadas por núcleos de helio,de modo que se pudo observar por primera vez que de un elemento químico salía otro elemento, el Helio.”(Papp Pag. 273-277)

El interior del átomoLos hechos antes mencionados de la radioactividad y de los electrones con cargas negati-

vas plantearon una serie de interrogantes sobre cómo se debía entender al interior del átomo;como dice Papp debía “alojar la muchedumbre de corpúsculos electrizados- electrones y núcleos de helioen el interior del átomo.” En el modelo del átomo que había propuesto Thomson, los electronesestaban incrustados en la materia positiva como las pasas en una torta; esto quedó automáti-camente descartado, de modo que fue indispensable buscar un nuevo modelo que diera cabi-da a todas estas condiciones y partículas descubiertas.

El gran protagonista de esa epopeya fue el científico neo-zelandés radicado en Inglaterra,

Figura No. 6 - 2 Estructura del átomooFuente: http://www.fsc.ufsc.br/~canzian/particulas/atomo.jpg

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Capítulo 6

Ernest Rutherford, quien aprovecha de los fenómenos radioactivos descubiertos a fines delsiglo XIX y los inicios del XX para desarrollar su modelo del átomo.

Rutherford y sus colaboradores Geiger y Marsden “montaron un experimento que se convirtióen un clásico de la ciencia, al bombardear con un cañón de partículas alfa o núcleos de helio a una delgada lámi-na de pan de oro. Todo este conjunto estaba dentro de una esfera de vidrio formando una pantalla fluorescente.”(Ver Fig. 6 - 3) La gran mayoría de los proyectiles de helio pasaban por los espacios vacíos de losátomos de oro sin ningún problema y sin desviarse de sus trayectorias originales, sólo un dos pormil aproximadamente de estos proyectiles chocaban con los núcleos del oro y rebotaban des-viados totalmente de sus trayectorias.

Rutherford tuvo una inspiración genial “al darse cuenta de que lo que revelaba este experi-mento es que los átomos son sistemas casi totalmente vacíos y que los electrones que estaban en las partesexternas de los átomos no podían desviar las trayectorias por la elevada velocidad de los protones, cerca de20.000 km/s y por su diminuta masa que era cerca de 7000 veces menor que el átomo de oro.” Las partícu-

las que se desviaban notablementeprobaron que el núcleo de los átomosde oro es sin duda muy masivo y estácargado positivamente. Rutherfordaplicó el cálculo de probabilidades yprobó con distintos materiales obte-niendo siempre resultados similares,“lo que le llevó a concluir que el núcleo delos átomos estaba compuesto de partículascon cargas positivas pero de una masa milesde veces mayor que la de los electrones,”ahora sabemos que son 1840 vecesmayores los protones que los electro-nes.

Rutherford y sus colaboradores sedieron cuenta de que el núcleo delátomo está formado por estas partí-culas positivas y a su número se lellamó número atómico, empezando porel hidrógeno con 1 y llegando a 92 conel uranio, que es el más pesado de todoslos elementos naturales. Rutherfordllego a la conclusión de que: “Como losátomos son eléctricamente neutros, el númerode electrones debía ser igual al de los protones

del núcleo. Entonces se presentó un problema, los pesos de los átomos no coincidían exactamente con los múlti-plos de los protones del núcleo, de modo que tendría que haber más protones en el núcleo, lo que hace al átomono eléctricamente neutro.”

Rutherford sugirió que debía existir un número conveniente de electrones en el núcleopara compensar las cargas positivas adicionales. Esta hipótesis que sirvió durante un par dedecenios, fue modificada cuando “en 1932 el físico inglés James Chadwick descubrió los neutrones, conuna masa casi exactamente igual a la de los protones, pero sin carga eléctrica, de modo que el núcleo apare-ció como un conjunto de protones y neutrones.”

Rutherford calculó que el núcleo debía ser unas cien mil veces más pequeño que elátomo, de modo que la mayor parte del átomo es vacío. Como sabía que las cargas opuestasse atraen, los electrones debían estar a unas distancias enormes del núcleo y tener una velo-cidad tangencial suficiente para que puedan circular alrededor del núcleo sin chocar contraél, debido a la fuerza centrípeta de las cargas eléctricas opuestas. De esta manera, “el modelo delátomo de Rutherford se presenta como un minúsculo sistema solar en que el núcleo es el Sol y los electrones son

Figura No. 6 - 3 Experimento de RutherfordFuente:: http://www.if.ufrgs.br/tex/fis142/fismod/mod06/images/rutherford01.jpeg

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los planetas. Una nueva ciencia nació, la de la física de las partículas atómicas”.(Papp Pag. 278-281)

El modelo de átomo de Rutherford tiene un problema fun-damental, según las leyes de Maxwell; “estas leyes establecen que todacarga eléctrica como un electrón que está acelerado, necesariamente debe emi-tir fotones de energía.” Esto es lo que sucede en las antenas de todos losteléfonos celulares y radios, en que se aceleran electrones que subeny bajan por las antenas, en estos movimientos acelerados se produceel efecto antes indicado y se generan ondas electromagnéticas.

“Lo mismo debe suceder con los electrones que se mueven en órbitas alre-dedor de los núcleos. Deben emitir fotones al girar ya que todo movimiento en

curva es acelerado, por esto la energía de los fotones tiene que provenir de la energía cinética de su movimien-to; por tanto los electrones deberían frenarse todo el tiempo hasta que su velocidad sea tan pequeña, que se estre-llan contra el núcleo.” Si este fuera el caso, entonces todos los átomos deberían destruirse y nopodría haber materia en el universo.

Los cuantos de Planck y el átomo de BohrMax Planck, el gran físico alemán de fines del siglo XIX, “introdujo una idea genial en la cien-

cia, al descubrir que la energía que produce un cuerpo oscuro como un pedazo de hierro al ser calentado a altastemperaturas, no es emitida como un flujo continuo, sino de una manera discontinua, como si fueran pequeñascantidades finitas de energía llamadas fotones.” Por estas contribuciones de Planck sabemos que entodas las transformaciones energéticas con radiaciones “la energía se produce en cantidades discretasllamadas cuantos, palabra de viene del latín quantum que significa cantidad.” Esta es una idea muy inno-vadora y completamente desconocida, que se convirtió en una de las dos revoluciones concep-tuales del siglo XX.

El joven físico danés, Niels Bohr trabajó en 1913, después de doctorarse, como asistente deRutherford e hizo una contribución muy significativa a la mecánica cuántica al unir los cuantosde Planck con el modelo atómico de Rutherford. Bohr declaró que: “si los electrones que circulan enlos átomos no satisfacen las leyes de la electrodinámica clásica, es porque obedecen las leyes de la mecánica cuán-tica.

Sin duda, giran en torno del núcleo atómico, pero circulan únicamente sobre órbitas tales que sus impulsosresultan determinados por múltiplos enteros de la constante de Planck.

Los electrones no emiten radiaciones durante todo el tiempo en que describen sus órbitas; solamente cuan-do el electrón salta de una órbita más alejada a una cercana del núcleo lanza un cuanto de luz o fotón.”

Con este nuevo modelo de átomo,Bohr pudo explicar las líneas espectralesque emiten los gases incandescentescomo el hidrógeno. Más tarde, el físicoalemán Arnold Sommerfeld reemplazó lasórbitas circulares por otras elípticas eintrodujo los conceptos de la relatividad enla física atómica que veremos en los capí-tulos siguientes. Dos físicos holandeses,“Samuel Goudsmit y George Ulenbeck introduje-ron una nueva característica del electrón, unaespecie de rotación llamada spin, cuya importan-cia es tan grande como su masa o sus cargas eléc-tricas, ya que explica las cualidades magnéticas yla forma en que se comportan los átomos al for-mar uniones químicas.” El modelo de Bohrtambién se parece a un sistema planetario,pero con la gran diferencia de que “los electrones

El interior del átomo

• Rutherford dispara partículasalfa contra una lámina de pan deoro dentro de una esfera de vidriofluorescente.

Sólo un dos por mil rebotan alchocar contra los núcleos del oro

• De esta manera comprobó quelos átomos son vacíos y que lamateria se concentra en el núcleo.

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Figura No. 6 - 4 Modelo de BohrrFuente:: http://www.ethereal.org/digitalart/atom/atom.jpg

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Capítulo 6

sólo pueden circular sobre trayectorias cuantificadas como si una misteriosapolicía microcósmica les hubiera prohibido las demás cualidaes.” como dicePapp.

Fue el físico y premio Nobel francés, príncipe Louis de Broglie,quien en 1923 explicó en su tesis magistral de doctorado “la razón porla cual los electrones sólo pueden mantenerse en estas órbitas y no en otras, alprobar que los electrones están acompañados de un tren de ondas” y circulanpor órbitas cuyo tamaño permite que este tren de ondas pueda caberen ellas y pueda cerrarse. Para esto, la circunferencia de las órbitaspermitidas debe ser de múltiplos enteros de la longitud de onda queacompaña al electrón.

“Estas órbitas coinciden exactamente con las órbitas que había calculadoBohr”. Por ello el que los electrones corpusculares se hallen asociados de una manera indisolublecon ondas de ciertas frecuencias resulta uno de los más espectaculares descubrimientos ya que “deesta manera lo discontinuo de las partículas como los electrones se vinculó con lo continuo de las ondas.” Estopermitió el surgimiento de la mecánica ondulatoria desarrollada por de Broglie, el físico ale-mán Erwin Schrodinger y el inglés Paul Dirac, con lo cual la estructura atómica fue com-pletada con las matemáticas que dieron lugar al nacimiento de lamecánica cuántica que veremos en el capítulo séptimo y que permi-te explicar una serie de fenómenos corpusculares y ondulatorios.(Papp, Pag. 282-285)

EL NÚCLEO ATÓMICO “El núcleo es el centro del átomo y es el que contiene la masa, ya que es dos

mil a cinco mil veces más pesado que los electrones que le circundan, por lo quese puede afirmar que el 99,98 % de la materia visible de nuestro cosmos está con-centrada en los núcleos atómicos.” Como hemos indicado antes, la fórmu-la de Einstein dice que la materia es equivalente a la energía, por loque se puede entender que la mayor parte de la energía del universoestá en los núcleos atómicos.

Debido a que existen los electrones es posible escuchar la radio, la televisión, las telecomuni-caciones satelitales y miles de procesos que han permitido el desarrollo de la industria electrónicay de nuestras civilizaciones. Sin los electrones sería imposible la vida ya que ésta se basa en unaserie de complicados procesos químicos que permiten la conversión y transformación de la ener-gía. “Estos procesos funcionan debido a que los electrones están sujetados por los núcleos atómicos, mas algunoselectrones externos pueden salir del átomo y moverse solos”, como veremos a continuación.

Los isótoposComo vimos antes, en cualquier átomo el número de protones

es igual al número de electrones y por tanto el átomo es neutro. “Alnúmero de protones se le llama número atómico. Los primeros descubrimien-tos de que existían átomos del mismo elemento, con el mismo número atómicoy las mismas propiedades químicas pero distintos pesos atómicos, se produjeroncuando aparecieron los nuevos radio-elementos como el radio-torio, el torio yotros isótopos. Frederick Sody, un colaborador de Rutherford, les bautizó comoisótopos; en griego, isos significa lo mismo y topos significa lugar, es decir, sonlos mismos elementos, ya que tienen el mismo número de protones pero tienendiferentes números de neutrones.” En el caso del hidrógeno, éste tieneun protón pero Harold C. Urey descubrió en 1932 que podía tener,además, uno o dos neutrones. Si tiene un neutrón se le conoce como

Cuantos y Bohr

• Según la mecánica clásica loselectrones deben emitir radiacio-nes al girar alrededor del núcleo

• Esto significa que los átomosdebían desbaratarse todo el tiem-po

• Bohr unió los cuantos con elmodelo del átomo y de estamanera nació la mecánica cuánti-ca.

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El modelo de Bohr

• El modelo de Bohr también separece a un sistema planetario,pero sin órbitas

• Los electrones sólo puedenestar en niveles de energía cuan-tificados

• Louis de Broglie, dice que estosórbitales van acompañados de untren de ondas y sólo pueden estaren órbitales cuyo tamaño permiteque este tren de ondas puedacerrarse.

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EL NÚCLEO ATÓMICO

• El núcleo en el centro del átomo es de dos mil a cinco mil vecesmás pesado que los electronesque le circundan

• El 99,98 % de la materia ennuestro cosmos está concentradaen los núcleos atómicos

• Como la materia es equivalente a la energía, casi toda la energía del universo está en los núcleosatómicos.

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deuterio y si tiene dos neutrones como tritio. Ambos son isótoposdel hidrógeno y forman parte del agua común pero en cantidadesmuy pequeñas, del orden de un centímetro cúbico por metro cúbicode agua. Para ciertos procesos industriales que veremos más ade-lante, se separa al agua formada por deuterio y tritio y se la conocecomo agua pesada.

“Las propiedades químicas están dadas por los electrones de la última órbi-ta, pero los pesos atómicos están dados por la suma de protones y neutrones, demodo que estos isótopos tienen diferentes números de neutrones, lo que explicael por qué los pesos atómicos de los elementos no son múltiplos exactos de lospesos del hidrógeno.” El cloro por ejemplo, tiene dos isótopos de pesos35 y 37 lo que da un promedio de 35,5 según las cantidades que apa-

recen de cada isótopo en la naturaleza, tres de 35 y uno de 37. “Estos conocimientos permitieron aFrancis William Aston desarrollar uno de los aparatos más prácticos y útiles para determinar la composición delas sustancias, el espectrógrafo de masas, que permite determinar con enorme exactitud la composición químicade las sustancias, indicando la cantidad que existe de los distintos elementos separándolos por medio de su pesoatómico.”

La energía del núcleo Si se toma al carbono como patrón para cal-

cular las masas atómicas de los elementos purosy se le asigna un valor de 12,0000 unidades yaque tiene seis protones y seis neutrones, entoncesla masa del hidrógeno es de 1,0079, la del heliode 4,0026, el flúor de 18,9984 y el sodio de22,9898. Ninguna de estas masas es exacta-mente un múltiplo entero de la masa delhidrógeno. Estas discrepancias sugieren que dealguna manera falta un poco de masa en losnúcleos, como lo afirmaba Aston.

“En el caso del helio se puede comprobar muy bienesta falta de masa, si sumamos las masas de dos núcleos dedeuterio, cada uno con un protón y un neutrón, esta sumaes mayor en un 3% de unidades de masa aproximadamen-te, que la masa de dos deuterios, que tienen los mismos dosprotones y dos neutrones que tiene el helio.”

¿Cómo puede desaparecer esta masa?¿En qué se convirtió esta masa? Estas y otraspreguntas similares se hacían los científicoshasta que Einstein apareció con su famosa fórmula que dice que “la energía es igual a la masa multi-plicada por el cuadrado de la velocidad de la luz; esta es probablemente la más importante equivalencia que elhombre ha calculado” como dice Papp. Ya que la masa es energía congelada y la energía es masadiluida, pero ahora debemos explicar la razón física para esta disminución de masa.

Para que el núcleo formado por varios nucleones como los protones y neutrones, semantenga unido, se requiere de una energía o fuerza que los mantenga unidos, especial-mente en el caso de los protones ya que estos tienen cargas positivas y para que estas cargasestén juntas se requiere de una fuerza que se conoce como la nuclear fuerte. “El mantener estosprotones y neutrones juntos significa que se requiere esta fuerza o energía nuclear, que sale de los aportesque cada partícula hace al ceder una pequeña fracción de su masa disminuída. Se ha calculado que paramantener a un protón y un neutrón en el núcleo del deuterio se requieren 2.2 millones de electrón-voltios;para mantener a dos protones y dos neutrones juntos en el núcleo de helio se requieren 28 millones de elec-trón-voltios.”

Los isótopos

• Sody descubrió que había ele-mentos que tenían las mismascaracterísticas químicas pero cuyamasa atómica era diferente

• El hidrógeno tiene un protónpero puede tener uno o dos neu-trones

• Si tiene un neutrón se le conoce como deuterio y si tiene dos neu-trones como tritio.

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Figura No 6 - 5 Los protones y neutrones dek nucleo.Fuente:: http://www.biocrawler.com/w/images/d/d8/Atom_diagram.png

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Capítulo 6

Aston realizó un estudio detallado de estas energías de empaqueta-miento que son necesarias para muchos elementos y encontró que amedida que se asciende desde el hidrógeno aumenta esta energía,hasta llegar al máximo con el hierro y el níquel, luego decrece laenergía hasta llegar a los más pesados como el uranio. Esto significaque “si construimos elementos, empezando por los más livianos hasta llegar alhierro, se puede en el proceso liberar energía de la fuerza nuclear fuerte, esto eslo que sucede en las estrellas” al subir del hidrógeno al hierro. Cuandose reduce el peso atómico con la radiactividad al bajar del uranioal plomo, ya que salen partes del núcleo en forma departículasradioactivas, también se libera energía de la fuerza débil, que esmucho menor.

Transmutaciones deelementos

Uno de los más viejos sueños de los alquimis-tas era lograr la transmutación del plomo en oro,en esa época no se conocía la estructura interna delátomo, peor la del núcleo, de modo que nunca sepudo hacer estas transmutaciones. “Ahora sabemos quela naturaleza química de los elementos se define por los pro-tones del núcleo. Desde tiempos de los alquimistas se sabe quees muy difícil cambiar la naturaleza química de los elementos,para esto se requiere de agentes muy poderosos que provoquenla transmutación de los elementos,” como dice Papp.

Al saber que ciertos elementos radioactivos emi-tían partículas de alta energía cinética, se pensó quesería posible intentar las transmutaciones. El asisten-te de Rutherford, Ernest Marsden, observó que laspartículas alfa de núcleos de helio que emitía unelemento, tenían la capacidad de recorrer unacierta distancia en un gas de hidrógeno. Pero aveces estas partículas chocaban con un núcleo dehidrógeno y éste recorría una distancia cuatroveces mayor. Parecía que la partícula alfa eramucho más pesada queel protón del núcleo delhidrógeno y le cedía

toda su energía cinética, por eso podía recorrer cuatro veces la dis-tancia.

Entonces Rutherford, el gran experimentador bombardeócon partículas alfa un gas de nitrógeno y pudo observar quedel núcleo de éste se desprendía un protón, es decir, “se habíaproducido la transmutación que durante miles de años los alquimistas habí-an buscado.” Al analizar los resultados se descubrió que la partí-cula alfa se incorporaba al núcleo del nitrógeno, pero un protónse desprendía y se separaba. De esta manera el nitrógeno sehabía convertido en un isótopo del oxígeno.

“Cuando se conocieron estos resultados otros experimentadores trata-ron con buenos resultados de hacer nuevas transmutaciones y se lograronen una docena de casos resultados exitosos. Pero el rendimiento de estastransmutaciones era tan reducido que si durante toda la historia de la

La energía del núcleo

• Si sumamos las masas de dosnúcleos de deuterio, es mayor enun 3% que el helio

• Einstein demostró que E = mc2

esto quiere decir que ese 3% dediferencia de masa se convierteen la energía que mantiene alnúcleo unido

• Aston estudió las energías deempaquetamiento de los núcleosy encontró que aumenta estahasta llegar al hierro y el níquel,luego decrece hasta el uranio.

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Transmutaciones de elementos

• Uno de los más viejos sueños de los alquimistas era lograr latransmutación del plomo en oro

• Ciertos elementos radioactivosemiten partículas de alta energía

• Con estas se pensó que seríaposible intentar las transmutacio-nes

• Al bombardear con partículasalfa un gas de nitrógeno se pudoobservar que se desprendía unprotón, se había producido latransmutación y ese átomo denitrógeno se convirtió en oxígeno.

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Figura No. 6 - 6 La transmutación del aguaFuente: http://www.gnosticteachings.org/images/stories/bible/transmu-tation-of-water-into.png

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Tierra se hicieran estos experimentos, no se lograría más de unas milésimasde miligramo de oxígeno sintético sacado del nitrógeno.” (Papp, Pag.287-293)LOS ELEMENTOS QUÍMICOS

El gran sintetizador de los elementos fue el químico francésAntoine Laurent Lavoisier, quien probó que el aire es una mezclade nitrógeno y oxígeno, que el agua era una combinación dehidrógeno y oxígeno, y que siempre que hay una combustión parti-cipa el oxígeno directamente. Sus famosos axiomas de que “el peso delcompuesto en las reacciones, es igual a la suma de los pesos de los componen-tes y que los elementos siguen subsistiendo a través de todas las composicionesy descomposiciones,” son la base de la química.

Mucho antes que él, Boyle había ya formulado el concepto deelemento como vimos antes en este capítulo, pero no había pro-ducido una lista de los elementos. “Fue Lavoisier quien produjo una

tabla de los primeros 33 elementos en 1789, la mayoría de los cuales hasta ahora son considerados comotales. Cuando llegó la revolución francesa fue enviado a la guillotina por un juez que dijo que la revoluciónno necesitaba de sabios.” (Papp Pag. 183-185)

A principios del siglo XIX, Alessandro Volta continuó haciendo los experimentos iniciadospor Galvani, quien notó que las piernas de una rana muerta se contraían cuando se le apli-caba una diferencia de potencial eléctrico, lo que ahora llamamos un voltaje. Volta encontróque no era necesaria la pierna de la rana, pues era suficiente con poner unos trapos mojados y dosmetales para producir estos fenómenos eléctricos y de esta manera se logró la gran invención dela pila eléctrica. Este fue un hito “de inmensas consecuencias, ya que la electricidad dinámica hace su apa-rición,” como dice Papp. Volta con este descubrimiento amplía sus investigaciones a las combi-naciones de sólidos y líquidos que se activan eléctricamente y mejora de esta manera el rendi-miento de sus pilas. “Otros científicos aprovechan de este artilugio y se inician los trabajos de electrólisis quepermiten descubrir nuevos elementos al descomponer una serie de compuestos como el agua, que se descomponeen oxígeno e hidrógeno, dos gases que juntos forman un líquido.” (Papp, Pag. 203-204)La tabla periódica de elementos

Desde la segunda década del siglo XIX, varios investigadores trataron de descubrir lasinterrelaciones que existían entre las propiedades físico-químicas de los elementos y suspesos atómicos. “Estos trabajos culminan en 1869 cuando el alemán Lothar Meyer y el ruso DimitriMendeleiev, cada uno de ellos de forma independiente, plantearon la idea de representar los elementos en unatabla en forma de un conjunto de cuadrículas como un tablero de ajedrez. En las casillas de esta tabla se colo-caban los elementos químicos en orden según sus pesos atómicos, situando los elementos que tienen propie-dades químicas similares uno debajo de otro.”

Esta tabla se conoce actualmente como tabla periódica de Mendeleiev, quien fue lo bastantesagaz como para reordenar los elementos en la tabla, y así garantizar que los elementos que presen-taban propiedades químicas similares quedaban dispuestos en la misma columna de la tabla. “El pasomás audaz de Mendeleiev fue incluir los 63 elementos que él conocía, pero dejando casillas en blanco para aquelloselementos no conocidos, previendo que en el futuro se descubrirían nuevos elementos que se ubicarían en dichos espa-cios. El descubrimiento de estos nuevos elementos que calzaron con las casillas dejadas en blanco, probó que estegenial científico Mendeleiev, había confirmado la naturaleza atómica de la materia. Además, obtuvo una tabla dedoble entrada que representa en las filas horizontales los llamados períodos que indican el número de órbitas que tie-nen los átmos y en las columnas verticales las familias de los elementos, es decir, aquellos que tienen similares pro-piedades químicas ya que la última órbita tiene el mismo número de electrones.” Esta tabla ha servido desdeentonces para enseñar las propiedades químicas de los elementos. (Papp, Pag. 270)

La razón por la cual esta tabla funciona es que está ordenada de tal manera que refle-ja la organización de las capas o niveles de energía de los electrones de los átomos. “Los elec-

LOS ELEMENTOS QUÍMICOS

• Lavoisier dice: “el peso del com-puesto en las reacciones es igual ala suma de los pesos de los compo-nentes” y

“los elementos siguen subsistiendo através de todas las composiciones ydescomposiciones”

• Boyle había ya formulado elconcepto de elemento, pero nohabía producido una lista de loselementos

• Volta inventó la pila eléctrica,con lo cual nació la corriente eléc-trica. Ésta permitió descomponeruna serie de sustancias en sus ele-mentos.

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Capítulo 6

trones que se ubican en laúltima capa son los que deter-minan las propiedades quími-cas de los átomos, ya quesolamente éstos entran encontacto en las reaccionesquímicas.”

Todos los electronesobedecen a una ley, lla-mada Principio de exclu-sión de Pauli que diceque: “no pueden haber doselectrones iguales que esténal mismo tiempo en una capao nivel de energía.” Esto separece a lo que sucede enun parqueadero, en queno es posible que doscarros estén al mismotiempo en el mismolugar. “Resulta que en el

nivel o capa más bajo, sólo pueden haber dos electrones en este nivel, el uno con espín positivo en el sentido delas agujas del reloj y el otro con espín negativo, es decir, en sentido contrario a las agujas del reloj. El espín escomo el giro alrededor de su eje que tiene la Tierra y que dura veinte y cuatro horas.” (Trefil, Pag. 189)

LA ESTRUCTURA ATÓMICAPara poder descubrir los interiores del átomo fue necesario

desarrollar aceleradores de partículas que podían inyectar grandescantidades de energía cinética a los protones, neutrones, partículasalfa y otras más para que puedan chocar con los núcleos y descu-brir de esta manera la estructura interna de los átomos. “ErnestOrlando Lawrence construyó en California una serie de aceleradores llamadosciclotrones, el primero era muy pequeño, cabía en la palma de su mano, luegoconstruyó otros con imanes de doscientas cincuenta toneladas, que suministra-ban energías cada vez más poderosas. De modo que las partículas adquiríanvelocidades de cerca de 40.000 km/s y eran capaces de entrar al aire y recorrerdistancias de más de un metro y de fundir una gruesa plancha de acero. Los ace-leradores actuales llegan a energías muchísimo mayores y están en construcción nuevos aparatos que son máqui-nas realmente superlativas.”

Estos proyectiles permitieron a los físicos desintegrar toda clase de núcleos y analizar lasreacciones que producen las partículas ultrarrápidas que salen de los aceleradores. Las apli-caciones de estos aparatos no se limitan a las reacciones nucleares sino que se les usa en biolo-gía y medicina para la producción de isótopos radiactivos, que permiten rastrear ciertosprocesos dentro del cuerpo humano.

“Se descubrió además que en la zona del núcleo pueden existir ciertos niveles de energía similares a las delos electrones, previstos por George Gamow y probados experimentalmente por Chadwick, de modo que las par-tículas alfa del núcleo pasan de un nivel a otro y excitan rayos gamma de la misma manera que los electrones quesaltan a los niveles inferiores de energía excitan fotones.” Había que descubrir los mecanismos para queel núcleo se mantenga unido a pesar de que los protones de igual carga se rechazan. Como las fuer-zas eléctricas son inversamente proporcionales a la distancia, en las dimensiones del núcleo ató-

Figura No. 6 - 7 La tabla periódica.Fuente:: http://www.jergym.hiedu.cz/~canovm/vyhledav/varianty/spain.gif

Tabla periódica

• Mendeleiev y Meyer desarrolla-ron la tabla periódica con los ele-mentos agrupados según propie-dades químicas similares

• A cada elemento se le asigna unnúmero atómico según su posiciónen la tabla que coincide con elnúmero de protones del núcleo

• Va desde el número 1 del hidró-geno hasta el 92 para el uranio.

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mico estas fuerzas son la fuerza fuerte, que por las diminutas distan-cias entre los protones, son fuerzas enormes para mantener elnúcleo unido. (Papp Pag. 300-301)

FotonesDice Trefil que “el modelo de átomo de Bohr no sólo que nos demuestra

cómo los átomos emiten radiaciones electromagnéticas, sino también cómoabsorben estas radiaciones.” Según este modelo, se emiten fotones deenergía electromagnética cuando los electrones saltan de un nivelalto de energía a un nivel bajo. De la misma manera, un electrónque recibe energía asciende a un estado excitado superior.

Este concepto de los fotones tiene que ver directamente con eldilema de la física cuántica ¿Son las radiaciones electromagnéticasondas o partículas? Cuando vemos un foco encendido estamosviendo fotones que son emitidos por los electrones que saltan de losestados excitados superiores a los inferiores en el alambre del foco.El átomo de Bohr nos presenta un modelo que es adecuado paraexplicar cómo los átomos emiten radiaciones. “Cuando un electrón semueve de una órbita permitida a otra, sucede otra de las más extrañas situacio-

nes atómicas: el electrón desaparece en el trayecto, es decir, éste nunca aparece en un lugar entre las dos órbitas,esto se conoce como un salto cuántico. Si un electrón está en un estado excitado, puede regresar a su nivel pri-mitivo dando un salto largo y emitiendo un sólo fotón con gran energía o dando dos pequeños saltos y emitiendodos fotones con menor energía. En cada uno de estos saltos las energías emitidas pueden ser diferentes, pero la

suma de éstas es igual a la energía del salto largo. Esta energía que excita a loselectrones también se produce al calentar el material y esto explica por qué losmateriales cambian de color y producen radiaciones cuando son calentados.”(Trefil, Pag. 180-182)

Líneas espectrales En 1815, el alemán Joseph von Fraunhofer, un maestro en ins-

trumentos ópticos, mejoró notablemente un aparato parecido a unmicroscopio, para mirar la luz que pasa por un prisma y que divide ala luz blanca en los diferentes colores del arco iris. Con este instru-mento de gran precisión “hizo un descubrimiento muy importante, que nosólo había bellísimos colores, sino unas líneas extrañas, fantasmales a distan-cias irregulares intercaladas entre los colores de la luz que pasaba por el pris-ma.” Frauenhofer observó la llama de muchos materiales y midiómás de quinientas de estas líneas. La pregunta que todos se hacíanes ¿qué son estas líneas? En 1859 el físico alemán Gustav Robert

Kirchhoff aclaró este misterio al establecer las relaciones que estas líneas tienen con los dis-tintos elementos. Al observar estas líneas se dio cuenta de que “cada elemento tiene un patrón propiode líneas, que son como las huellas digitales” de cada elemento.

Es asombrosa la sorpresa que tuvieron filósofos y astrónomos como Comte, cuandosupieron que las radiaciones del Sol y de otras estrellas a través de un prisma y un espec-troscopio permitían detectar los elementos de los cuales éstas están formadas; especialmen-te en el caso del contenido del hidrógeno y del helio. De esta manera se comprobó nuevamentela teoría de Copérnico de que somos una parte insignificante de este maravilloso y eleganteUniverso, lleno de todos estos enigmas que vamos resolviendo poco a poco. Pero cuandoFraunhofer miró a las líneas del Sol, descubrió unas líneas oscuras, que no correspondían direc-tamente con las otras que se habían observado antes. Entonces se descubrió que “estas nuevas líne-as se debían a que el centro del Sol emite luz de todas las frecuencias, es decir luz blanca, que cuando pasa porlas capas superiores más frías del Sol es absorbida por los gases de estas capas superiores, de modo que estas líne-

LA ESTRUCTURA ATÓMICA

• Para descubrir el interior delátomo fue necesario usar acelera-dores con grandes energías paraacelerar partículas que choquencon los núcleos.

• Estos proyectiles permitieron alos físicos desintegrar toda clasede núcleos y analizar las reaccio-nes que producen las partículasultrarrápidas que salen de loschoques.

• Se descubrió en el núcleo que existen niveles de energía simila-res a los de los electrones.

• Que hacen que los protones sal-ten de niveles y exciten la salidade rayos gamma de altísimasenergías.

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Fotones

• Cada vez que un electrón salta de un estado superior a un nivelinferior de energía, salen paque-tes de radiaciones electromagné-ticas que se les llama fotones

• El átomo de Bohr es un modeloadecuado para explicar las radia-ciones, cuando un electrón salta,desaparece en el trayecto; esto esun salto cuántico

• En cada uno de estos saltosemite fotones, esto explica porqué los materiales cambian decolor y producen iluminacionescuando son calentados.

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Capítulo 6

as de Fraunhofer son de absorción, las prime-ras de Kirchhoff son de emisión.” (LedermanPag. 144-146)

Como hemos visto, existen dosprocesos: el de emisión y el de absor-ción de energía por los electrones, queinvolucra saltos cuánticos entre dis-tintos niveles; por lo que si una llamacalienta una cuchara que contiene sodio,la llama se vuelve amarilla, si el mate-rial es potasio, la llama es azul y si elmaterial es litio, la llama es roja.Siempre que un material es calentado ocuando se le excita con energía eléctricacomo en un foco, muchos de sus elec-trones absorben energía y saltan a nive-

les superiores de excitación y cuando estos electrones bajan a los niveles inferiores, emiten radia-ciones electromagnéticas como la luz visible.

“Como la energía y la frecuencia de los fotones en estas emisiones dependen de las diferencias de energíaentre los niveles de los saltos cuánticos, cada elemento emite un conjunto de frecuencias específicas propias, comosi fueran las huellas dactilares de los elementos del universo. La distribución de las intensidades de las radiacio-nes que emiten los distintos elementos constituyen el espectro de ese elemento” (Ver Fig. 6 - 6). Este espec-tro contiene las líneas o rayas específicas que identifican a cada elemento. De esta manera nacióla espectroscopia que resulta extremadamente útil en todas las ramas de la ciencia, peroespecialmente en la astronomía ya que como vimos, nos permite determinar la composiciónquímica de estrellas distantes, del polvo interestelar y de la atmósfera de los planetas. El aná-lisis espectroscópico también se usa para determinar las impurezas en los materiales y para iden-tificar materiales desconocidos en la espectrometría de masas. (Trefil, Pag. 183-185)

Para explicar las líneas espectrales Bohr dice que “las radiaciones de los electrones ocurren cuandoéstos saltan de un nivel de energía a otro y que la energía que adquieren los fotones es igual a la diferencia deenergía entre los dos niveles, de modo que el espectro de absorción se produce cuando el electrón pasa de un nivelinferior a uno superior y el de emisión cuando el electrón pasa de un nivel superior a uno inferior. El modelo deátomo de Bohr permite calcular las longitudes de onda de estos espectros de una manera muy práctica y sencilla;de esta manera se probó que este modelo es mucho más cercano a la realidad delos átomos que el modelo planetario de Rutherford.” (Lederman, Pag. 158-159)

LA ENERGÍA ATÓMICAEn 1905, Albert Einstein describe la ahora más famosa ecuación

de la física que relaciona la masa y la energía: E = mc2. Dicha ecua-ción afirma que una cantidad de energía (E) es igual a una masadeterminada (m) multiplicada por el cuadrado de la velocidad de laluz (c2), que es una cantidad enorme, astronómica, (9 x 1016 ) dejoules de energía.

“Como más del 99% de la masa del átomo reside en su núcleo, las enormescantidades de energía atómica deben provenir de los procesos en que el núcleodel átomo se parte y de esta manera se libera la fuerza nuclear fuerte, la máspotente de todas en el universo. La teoría suena muy fácil, pero en la prácticafue uno de los proyectos de investigación y desarrollo más complicados y costo-sos del siglo XX.”

Figura No. 6 - 8 Líneas espectralesFuente:: http://www.geocities.com/acarvajaltt/images/temas/absorcion_emision.gif

Líneas espectrales

• Fraunhofer con una especie demicroscopio y un prisma encontróunas líneas extrañas

• Kirchhoff descubrió el misterioal establecer las relaciones deestas líneas con los distintos ele-mentos

• Existen dos procesos: de emisióny absorción de energía por loselectrones que involucra saltoscuánticos entre distintos niveles

El modelo de Bohr • Para explicar las líneas espec-trales Niels Bohr dice que: elespectro de absorción se producecuando el electrón pasa de unnivel inferior a uno superior. El deemisión cuando el electrón pasade un nivel superior a uno infe-rior.

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Hay dos procesos nucleares que tienen gran importancia prácti-ca para generar enormes cantidades de energía atómica, la fisiónnuclear (Ver Fig. 6 - 7) que es partir un núcleo pesado en núcleosmás ligeros y al mismo tiempo liberar energía y la fusión termo-nuclear, la unión de dos núcleos ligeros a temperaturas extrema-damente altas, como las del centro del Sol y las estrellas, para for-mar un núcleo más pesado.

Para realizar la fisión, lo primero que había que hacer era encon-trar átomos fáciles de partir con neutrones y muy pronto se encontróque el uranio era el mejor candidato. Este aparece en dos versio-nes como dos isótopos, el 238 (con 92 protones y 146 neutrones)y el 235 (con 92 protones y 143 neutrones). El 238 es el más común(99.3%) en los yacimientos y minas, pero es muy difícil de partir. Elque sirve para producir la fisión es el 235, del cual sólo hay un0,7% en la naturaleza y es el que hay que usar para todos los pro-cesos de extracción de energía, tanto para los reactores que produ-cen energíacomo para lasbombas atómi-cas.

El uraniofue descubier-to en 1750como parte dela pechblenda,un mineral queal principio secreyó que setrataba delT u n g s t e n o ,hasta queK l a p r o t hdemostró queera un nuevometal que reci-bió el nombre

de uranio en honor del planeta Uranorecientemente descubierto. Este metal seempleó durante mucho tiempo como alea-ción para el acero y como materia coloran-te por la industria química.

“Todos estos desarrollos se inician en 1932cuando como vimos antes, Chadwick descubre alneutrón. Luego, el físico italiano Enrico Fermilogró realizar la fisión en 1934, pero esta reacciónno se reconoció como tal hasta 1939, cuando loscientíficos alemanes Otto Hahn y FritzStrassmann anunciaron que habían fisionadonúcleos de uranio bombardeándolos con neutro-nes. Esta reacción libera a su vez neutrones, conlos que se puede iniciar una reacción en cadena con otrosnúcleos.” En la explosión de una bomba atómica se

Figura No. 6 - 9 Energía atómicaFuente::http://www.animatedsoftware.com/hotwords/atomic_energy/1938ato-mic_energy.gif

LA ENERGÍA ATÓMICA

• En 1905, Albert Einstein descu-brió la más famosa ecuación de lafísica, que relaciona la masa y laenergía, E = mc2, que luego seríaconocida como parte de la relati-vidad especial

• Hay dos procesos nucleares quetienen gran importancia prácticapara generar energía atómica.

La fisión, que es partir un núcleopesado en núcleos más ligeros y almismo tiempo liberar energía

Y la fusión que es la unión de dos núcleos ligeros a temperaturas extremadamente altas

• Para realizar la fisión, lo primero que había que hacer era encon-trar el átomo más fácil de rompercon neutrones y este fue el deuranio.

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LA BOMBA ATÓMICA

• Los científicos se preguntabancómo podría originarse del uraniocon un peso atómico de 238, unasustancia tan ligera como el bariocon un peso de 137

• La respuesta a este enigma ladio Lise Meitner: éste es un pro-ceso de desintegración del núcleoy que era posible dividir el núcleoatómico

• Cuando el uranio se desintegra las fuerzas nucleares se liberan yaparece una enorme energía doceveces mayor que la radioactividadnatural.

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produce una reacción en cadena incontrolada, para lo que se requie-re un U 238 enriquecido con por lo menos un 20% de U 235 . Para lasreacciones controladas en los reactores para producir calor y generarasí vapor y energía eléctrica, se usa un U238 enriquecido con sola-mente un 3% del U235 , de modo que no es posible que exploten comolas bombas atómicas. (Kaku, Pag. 15-17)

LA BOMBA ATÓMICAGran parte de la investigación preliminar para descubrir la

fisión se inició antes de la segunda guerra mundial en la Alemanianazi. Cuando Hitler invadió la región de los Sudetes en Checoslovaquia,tomó posesión de los mayores yacimientos de uranio y radio de SanktJoachimstahl. En esa misma época en París, en el Instituto deInvestigación del Radio, se había encontrado una sustancia mediante elbombardeo del núcleo del uranio con neutrones intensamente frenados,pero esta nueva sustancia era un verdadero enigma.

“El profesor Otto Hahn de Berlín presumió que esta sustancia era una mez-cla de diversos productos de bario o radio, pero los resultados de nuevos experi-mentos llevaron al descubrimiento de que no se trataba de radio, sino sólo debario. Los científicos de esa época se preguntaban cómo podría originarse del ura-nio con un peso atómico de 238, una sustancia tan ligera como el bario con unpeso de 137.” Se repitieron los ensayos y entonces se encontraron indi-cios de otras sustancias. “La respuesta a este enigma la dió la profesora aus-tríaca Lise Meitner, que ejercía la docencia en esa época en Berlín al manifestarque este proceso no tenía nada que ver con la transmutación del átomo comovimos antes, sino más bien con la destrucción del átomo;” o sea, era un proce-

so de desintegra-ción del núcleo.

Se probó quemediante bom-bardeos con neu-trones era posibledividir el núcleoatómico y de losfragmentos se ori-ginaban otros ele-mentos de menorpeso atómico;“Otto Hahn y FritzStrassman se dedica-ron a trabajar paracomprender el pro-ceso de la desintegración del Uranio, llamado fisiónnuclear. Estos físicos descubrieron que el momentoque el núcleo de Uranio se desintegra, se originanuna serie de neutrones y de sustancias diversas confuertes cargas positivas. Las fuerzas nucleares fuertesque mantenían las masas de protones dentro delnúcleo dejan de existir y se libera una enorme ener-gía, doce veces mayor que en sustancias de radioacti-vidad natural.” Hahn y A.I. Virtanen recibieron

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Capítulo 6

Reacciones en cadena

• Cuando Bohr llegó a Princetonse encontró con un telegrama deLise Meitner, que confirmaba queel átomo de uranio podía serdesintegrado

• Se había descubierto un fuenteinmensa de energía que podíaconvertirse en un material explo-sivo generando veinte millones deveces más energía que la dinami-ta.

Los reactores nucleares• Para lograr que las reaccionesno sean explosivas, había que fre-nar a los neutrones y lograr que lareacción sea lenta y controlable

• Esto se consiguió pulverizandoel uranio y mezclándole conmateriales que tenían las condi-ciones para desacelerar los neu-trones como la parafina y el aguapesada

• Los reactores nucleares utilizanuranio enriquecido al 3% y no esposible que se produzca unaexplosión atómica

• Las reacciones pueden ser con-troladas para transformar energíade la masa en energía cinética delos átomos

• El corazón de una planta nuclear es el reactor, que consiste de unamasa de 100 toneladas de Uranioen columnas de tres metros delargo

• Para sacar las enormes cantida-des de energía térmica que pro-duce el reactor se utiliza agua quees inyectada a presión en losintercambiadores de calor

• Este agua a presión con el calorse convierte en vapor a muy altastemperaturas, que se inyecta enlas turbinas de vapor

• Éstas mueven a gran velocidad a los generadores que por medio dela inducción eléctrica transformanla energía cinética en energíaelectromagnética.

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Figura No. 6 - 10 Bomba atómicaFuente: http://www.breadonthewaters.com/add/0888_nuclear_explosion_large_cli-part.jpg

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el premio Nobel de química en 1945 por estos descubrimientos.

Reacciones en cadena “El 16 de enero de 1939 cuando Bohr llegó a Princeton, se encontró con un telegrama de Lise Meitner y del

doctor Frisch, su sobrino y colaborador. Ambos habían realizado una serie de experimentos en Copenhague ypudieron confirmar que el átomo de uranio podía ser desintegrado; esto significaba que se había descubierto unafuente inmensa de energía que podía convertirse en un material explosivo generando veinte millones de veces másenergía que la dinamita. Leo Szilard, que reconoció claramente el potencial militar que tendrían las bombas de fisióny temiendo que la Alemania nazi sea la primera en desarrollarlas, junto con otros dos científicos húngaros, Teller yWiegner, pidieron a Einstein que firme una carta dirigida al presidente Roosevelt para iniciar un programa de investi-gación y de desarrollo de armas atómicas.” Esta carta dio inicio al proyecto ultra-secreto llamadoManhattan, que en 1945 detonó las primeras bombas atómicas en Estados Unidos y Japón.

Para separar al uranio, hay que construir instalaciones muy sofisticadas, grandes y costosaspara obtener por lo menos un 20% de uranio 235, enriqueciendo la mezcla de tal manera que seafisionable. El segundo problema era que se necesitaba una cantidad mínima de uranio 235 paraque se inicie la reacción en cadena explosiva; esta cantidad se conoce como la masa crítica y esde alrededor de unos 15 kilos.

“El diseño de una bomba atómica es extremadamente simple, se requiere de dos pedazos de uranio 235, cadauno menor que la masa crítica, en que uno de los pedazos es acelerado contra el otro por medio de explosivos.Cuando los pedazos chocan, se forma la masa crítica y se inician las reacciones de fisión nuclear que producenla explosión atómica.”

También se puede hacer una bomba usando plutonio 238, que es un elemento hecho artifi-cialmente por el hombre. Debido a ciertas complicaciones técnicas, la masa crítica del plutoniodebe armarse mucho más rápido que con el uranio 235, por esto se usa una esfera que contieneplutonio en cantidades menores a la masa crítica, rodeada de explosivos. Cuando las cargas explo-tan, se produce una implosión que aumenta la densidad del plutonio a valores supercríticos,causando la reacción en cadena explosiva. La primera bomba que explotó en Nuevo Méxicoera de plutonio, la de Hiroshima era de uranio. (Kaku Pag. 15-17)

Los reactores nucleares“Para lograr que las reacciones en cadena sean controlables, hay que frenar los neutrones para reducir su

energía cinética. Esto se consiguió pulverizando el uranio y mezclándole con materiales que tenían las condicio-nes para desacelerar los neutrones como la parafina y el agua pesada, que habían mostrado ser adecuados paraeste propósito. El agua pesada se obtiene al separar las moléculas más pesadas de agua que contienen a los isó-topos pesados de hidrógeno, el deuterio y el tritio que ya conocimos antes. También se consiguió frenar muchísi-mo la reacción en cadena con el cadmio que resultó mejor que la parafina.”

Los reactores nucleares utilizan uranio enriquecido al 3% de modo que no es posible una explo-sión atómica. Los controles del reactor permiten que las reacciones puedan ser muy lentas paratransformar energía de la masa en energía cinética de los átomos. El corazón de una plantanuclear es el reactor, que consiste de una masa de 100 toneladas de uranio en columnas de tresmetros de largo. Entre las columnas de uranio se intercalan las barras de control que son com-puestos de cadmio o boro que permiten frenar las reacciones dependiendo de cuanto se metanestas barras dentro del reactor. Si se produce cualquier problema serio, las barras de control entranautomáticamente dentro de las columnas de uranio parando las reacciones.

Para sacar las enormes cantidades de energía térmica que produce el reactor, se utiliza agua, que esinyectada a presión en los intercambiadores de calor, de modo que las radiaciones que existen en el inte-rior del reactor no salen al exterior. Con el calor, el agua a presión se convierte en vapor a muy altastemperaturas, que se inyecta en las turbinas moviendo a gran velocidad a los generadores, los cualespor medio de la inducción transforman la energía cinética en energía electromagnética.

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Capítulo 6

Figura No. 6 - 11 Reacción en cadena del uranioo.Fuente: http://www.portierramaryaire.com/imagenes/reaccion.jpg

Figura No. 6 - 12 Reactor nuclearrFuente: http://www.euronuclear.org/info/encyclopedia/images/bwr.jpg

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1. El famoso físico Richard Feynman dijo que la frase más impo-tante que deberíamos dejar a los sobrevivientes de una catástro-fe sería que “todas las cosas están hechas de átomos” ¿Por quéésta y no otras teorías importantísimas, como la mecánica, lagravedad y otras, no serían más relevante para las generacionesposteriores?

2. Robert Boyle fue la primera persona en establecer el concepto deelemento y en distinguir entre mezcla y combinación. Explicacada uno de estos conceptos.

3. Avogadro propuso que a la misma presión y temperatura, dosgases diferentes que ocupan el mismo volumen debían tener elmismo número de moléculas. ¿Cómo se explica que moléculasde dos gases, que tienen distintos tamaños, puedan ocupar elmismo volumen?

4. El espectrógrafo de masas es un instrumento muy útil que permi-te determinar la composición química de sustancias basado enlos distintos pesos atómicos de sus componentes. Explica cómopuede este aparato realizar este tipo de cuantificación.

5. Explica como dos procesos distintos como la formación de hie-rro por fusión atómica sucesiva a partir del hidrógeno y la des-composición del uranio hasta llegar al plomo pueden producirenormes cantidades de energía.

6. Ahora se sabe que la idea de los alquimistas de lograr transmuta-ciones de elementos químicos es posible, si se bombardea partí-culas alfa a por ejemplo el gas de nitrógeno, de lo que se puede

obtener isótopos del oxígeno; sin embargo, el rendimiento deestos procesos es tan bajo que el sueño de convertir plomo en ororesultaría económicamente imposible. ¿A qué crees que se debeel bajísimo rendimiento observado?

7. Joseph von Fraunhofer fue el primero en observar unas líneasextrañas, que ahora conocemos como líneas espectrales, cuyopatrón era distinto para cada elemento. Explica la razón de laexistencia de las mismas y por qué se diferencian entre los dis-tintos elementos.

8. En este capítulo aprendimos que para construir una bomba ató-mica se utiliza uranio U238 enriquecido con al menos 20% deU235. Para producir energía atómica, se utiliza U238 enriqueci-do con solamente un 3% de U235, lo cual evita que pueda explo-tar. ¿A qué se debe esto?

9. Sabemos que en una planta nuclear de generación de energíaeléctrica, se convierte la energía de la masa del uranio en ener-gía térmica. ¿Cómo podemos a partir de esto, obtener la energíaeléctrica que necesitamos?

10. La tabla periódica es hasta hoy en día muy útil para agrupar ele-mentos según características químicas similares. Si por ejemplo,supieras que el flúor es un elemento muy reactivo que se combi-na fácilmente con otros elementos ¿Qué otros elementos espera-rías que fuesen igualmente reactivos? ¿Por qué?

Bibliografía DICCIONARIO ESENCIALDE LAS CIENCIAS. Real Academia de las Ciencias Exactas, Físicas y naturales. Espasa,

Madrid, 2001 KAKU MICHIO, JENNIFER TRAINER. Nuclear Power: Both Sides. W. W. Norton & Company. New York 1983 LEDERMAN LEON, TERESI DICK. The God Particle, If the Universe is the Answer, What is the Question? Boston,

Houghton Mifflin Company. 1993 PAPPDESIDERIO. Historia de las Ciencias, desde la antiguiedad hasta nuestros di?as. Editorial Andres Bello. 1996. TREFILJAMES, HANZEN ROBERTM. The Sciences, An Integrated Approach, New York, John Wiley & Sons, Inc. 2001.

Introducción1. ¿Cuál era la concepción de Leucipo y Demócrito sobre la materia?2. ¿En qué se basaba Dalton para plantear la existencia de átomos?3. ¿Cuál era la concepción de Boyle sobre los átomos?La Teoría Atómica Moderna4. ¿Cuál era el planteamiento de Avogradro sobre los gases?5. ¿Cómo descubrió J. J.Thomson el electrón?6. ¿Cuál fue la hipótesis de Rutherford y Soddy sobre la radiactividad?7. ¿Qué tipos de radiaciones fueron descubiertas por los esposos Curieen la degradación radiactiva y cuál era respectivamente su naturaleza?8. ¿En qué consistió el experimento de Rutherford para estudiar el interior delátomo y cuál fue la conclusión obtenida?9. ¿Cuál fue la contribución más conocida de Chadwick para la Teoría Atómica?10. ¿Cuál fue el problema detectado en el modelo atómico de Rutherford desdeel punto de vista de las Leyes de Maxwell?11. ¿Cuál fue la principal contribución de Max Planck a la Física moderna?12. ¿En qué consistió el planteamiento de Bohr en relación con los fotones?13. ¿En que consistió el planteamiento de Luis de Broglie sobrelos electrones?El núcleo atómico14. ¿Cuál es la importancia de los electrones en nuestras actividades cotidianas?15. ¿Qué son los isótopos?

16. ¿Por qué razón la masa atómica de los diferentes elementos no se expresa comoun número entero?17. ¿En qué consiste la fuerza nuclear fuerte?18. ¿Cómo varía la denominada “energía de empaquetamiento”?19. ¿En qué consistió la “transmutación atómica” lograda por Marsden?Los elementos químicos20. ¿Cuál es la estructura básica de la Tabla de Mendeleiev?21. ¿En qué consiste el principio de exclusión de Pauli?La estructura atómica22. ¿En qué consisten básicamente los aceleradores de partículas y cuál es supropósito?23. ¿En qué consiste la emisión y absorción de fotones?24. ¿Qué son las líneas espectrales?25. ¿Por qué la espectrografía del Sol no mostraba la presencia de los gases que lo

componen?La energía atómica26. ¿En que consisten, básicamente, la fusión nuclear y la fisión nuclear?27. ¿Cuál es la razón de que en la generación de energía el U238 se enriqueceen un 3% con U235, y en cambio para la bomba atómica se usa un porcentajemayor que el 3% de U235?28. ¿Cómo es posible dividir el núcleo atómico y cuáles son los resultados?

PREGUNTAS DE REPASO


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